Σχεδιασμός και κατασκευή πειραματικής εγκατάστασης συστήματος διαχωρισμού διφασικής ροής αέρα-νερού : πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση

• Κύριος συγγραφέας: Γκαναβίας, Κωνσταντίνος
• Άλλοι συγγραφείς: Μάργαρης, Διονύσιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2019
• Θέματα: Σύστημα διαχωρισμού; Διφασική ροή; Separation system; Two-phase flow

Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως αντικείμενο τη δισδιάστατη και τρισδιάστατη υπολογιστική διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού διαχωρισμού διφασικής ροής αέρα-νερού όταν αυτή συναντά διακλάδωση τύπου Τ με προσανατολισμό 30°, 45° και 90°, αντίστοιχα, για διαφορετικά ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού. Επιπλέον, στόχος ήταν ο σχεδιασμός και η κατασκευή της πειραματικής εγκατάστασης του συστήματος διαχωρισμού και η εξαγωγή πειραματικών αποτελεσμάτων για γωνία κλίσης πλευρικού αγωγού 45°. Αρχικά, λόγω της πολυπλοκότητας του φαινομένου διαχωρισμού των φάσεων και των παραμέτρων που επηρεάζουν το φαινόμενο, μελετήθηκε σε θεωρητικό επίπεδο επιλεγμένη ελληνική και διεθνής βιβλιογραφία, συναφής με το συγκεκριμένο αντικείμενο. Στη συνέχεια, αφού προσδιορίστηκε θεωρητικά ο τύπος ροής που αναμενόταν στον αγωγό, βάσει των συνθηκών ροής, υπολογίστηκαν το κλάσμα κενού, η διατμητική τάση τοιχώματος, καθώς και τα απαραίτητα στοιχεία για την υπολογιστική διερεύνηση του προβλήματος, όπως το ύψος του πρώτου υπολογιστικού κελιού. Ύστερα, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ANSYS για τον σχεδιασμό του αγωγού και τη δημιουργία του υπολογιστικού πλέγματος και στη συνέχεια ο κώδικας Fluent για την επίλυση και την εύρεση τελικά της μεταβολής του βαθμού διαχωρισμού για τα διάφορα ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε ο συνδυασμός τριών (3) διαφορετικών παροχών όγκου αέρα, υπό σταθερή παροχή όγκου νερού, μελετώντας τις αλλαγές που επιφέρουν οι διάφοροι συνδυασμοί αυτών στον βαθμό διαχωρισμού του μίγματος. Ειδικότερα, οι παροχές όγκου αέρα που μελετήθηκαν ήταν: α) 18 ΝL ⁄ min , β) 35 ΝL ⁄ min και γ) 154 ΝL ⁄ min και αντίστοιχα οι παροχές όγκου νερού που εξετάστηκαν ήταν: α) 16.67 L ⁄ min , β) 33.33 L ⁄ min και γ) 50 L ⁄ min . Το μοντέλο που σχεδιάστηκε στο λογισμικό ANSYS αποτελούταν από έναν οριζόντιο αγωγό για την είσοδο του νερού, έναν αγωγό υπό κλίση 45 ο ως προς τον οριζόντιο αγωγό για την είσοδο του αέρα, τον οριζόντιο κύριο αγωγό της διάταξης διαχωρισμού μήκους 700 mm, τη διακλάδωση τύπου Τ σε 30 ◦ , 45 ◦ και 90 ◦ , με κλάδο μήκους 300 mm και τέλος τον οριζόντιο αγωγό εξόδου μήκους 300 mm. Το συνολικό μήκος της διάταξης ήταν 1200 mm, το μέγιστο συνολικό ύψος της 320 mm, ενώ ο αγωγός σε όλα τα σημεία του είχε διάμετρο 20 mm. Στην αριθμητική επίλυση επιλέχθηκε το πολυφασικό μοντέλο Volume Of Fluid (VOF) για την περιγραφή της ελεύθερης επιφάνειας των δύο φάσεων και το μοντέλο Realizable k-ε για το «κλείσιμο» της τύρβης. Η υπολογιστική προσομοίωση πραγματοποιήθηκε για δισδιάστατη γεωμετρία και πλέγμα για τις περιπτώσεις ογκομετρικής παροχής αέρα 18 ΝL ⁄ min , 35 ΝL ⁄ min και 154 ΝL ⁄ min , με σταθερή ογκομετρική παροχή νερού 50 L ⁄ min , και για γωνίες διακλάδωσης 30° και 90°, αντίστοιχα, και έπειτα οι βαθμοί διαχωρισμού που προέκυψαν σε κάθε περίπτωση συγκρίθηκαν μεταξύ τους ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για τη συσχέτιση του βαθμού διαχωρισμού με την ογκομετρική παροχή αέρα και νερού και τον προσανατολισμό της διακλάδωσης, αντίστοιχα. Ταυτόχρονα, υπολογίστηκαν οι τιμές του κλάσματος κενού, της ταχύτητας του μίγματος και της ολικής πίεσης στον αγωγό στις παραπάνω περιπτώσεις και συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των αποτελεσμάτων δισδιάστατης και τρισδιάστατης προσομοίωσης για την περίπτωση της μεγαλύτερης ογκομετρικής παροχής αέρα (154 NL/min) και νερού (50 L/min). Ακόμα, έγινε τρισδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση για τις περιπτώσεις ογκομετρικών παροχών νερού 16.67 L ⁄ min , 33.33 L ⁄ min και 50 L ⁄ min , υπό σταθερή ογκομετρική παροχή αέρα 35 Ν L ⁄ min , και για γωνία κλίσης πλευρικού αγωγού 45°, προκειμένου να ευρεθεί ο βαθμός διαχωρισμού και η τιμή του κλάσματος κενού. Επιπλέον, μελετήθηκε η πτώση πίεσης στην περιοχή της διακλάδωσης, αλλά και στο οριζόντιο τμήμα του αγωγού.Πέραν από την υπολογιστική προσομοίωση, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε η πειραματική εγκατάσταση για τη διερεύνηση του εν λόγω φαινομένου διαχωρισμού. Οι περιπτώσεις των ογκομετρικών παροχών αέρα που μετρήθηκαν ήταν: α) 22 ΝL ⁄ min , β) 35 ΝL ⁄ min και γ) 50 ΝL ⁄ min και αντίστοιχα οι ογκομετρικές παροχές νερού ήταν: α) 8.33 L ⁄ min , β) 16.67 L ⁄ min και γ) 33.33 L ⁄ min . Τα αποτελέσματα που εξήχθησαν κατέδειξαν τη δυσκολία πρόβλεψης της συμπεριφοράς του φαινομένου διαχωρισμού των φάσεων ενός μίγματος κατά τη μεταβολή των ογκομετρικών παροχών αυτού και της γωνίας κλίσης της διακλάδωσης τύπου Τ. Ακόμη, η τρισδιάστατη προσομοίωση οδήγησε σε πιο ακριβή αποτελέσματα, συγκριτικά με τη δισδιάστατη, ωστόσο η τελευταία φάνηκε ικανή να προβλέπει την τάση των αποτελεσμάτων αναφορικά με τον «βέλτιστο», ως προς τον βαθμό διαχωρισμού που επιτυγχάνει, προσανατολισμό της διακλάδωσης τύπου Τ, ενώ όσον αφορά την πειραματική διερεύνηση παρατηρήθηκε ότι ο βαθμός διαχωρισμού δεν επηρεάζεται αρκετά από την αύξηση της ογκομετρικής παροχής του νερού, υπό σταθερή ογκομετρική παροχή αέρα, συμπέρασμα στο οποίο οδήγησαν και τα υπολογιστικά αποτελέσματα. Τέλος, συμφωνία μεταξύ πειραματικών και υπολογιστικών αποτελεσμάτων παρατηρήθηκε και ως προς το μοτίβο ροής που εμφανιζόταν στον οριζόντιο αγωγό πριν τη διακλάδωση, το οποίο αντιστοιχούσε σε στρωματοποιημένη (Stratified Flow) ή κυματοειδή στρωματοποιημένη ροή (Wavy Stratified Flow), ενώ η απόκλιση πειραματικών και υπολογιστικών αποτελεσμάτων ήταν μικρότερη από 3%.