Υπολογιστική διερεύνηση μεταβολής βαθμού διαχωρισμού και εξάρτησης από το μοντέλο τύρβης για διφασική ροή αέρα-νερού σε αγωγό μικρής διαμέτρου : σύγκριση της πτώσης πίεσης θεωρητικά και υπολογιστικά

• Κύριος συγγραφέας: Γιαννακόπουλος, Αντώνιος Νεκτάριος
• Άλλοι συγγραφείς: Μάργαρης, Διονύσιος-Ελευθέριος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Διακλάδωση τύπου Τ; Διαχωρισμός φάσεων; Διφασική ροή αέρα-νερού; Πτώση πίεσης; Τ-junction; Phase separation; Air-water two-phase flow; Pressure drop

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτέλεσε η δισδιάστατη και τρισδιάστατη υπολογιστική διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού διαχωρισμού και της εξάρτησης από το μοντέλο τύρβης για διφασική ροή αέρα-νερού σε αγωγό μικρής διαμέτρου, με διακλάδωση τύπου Τ, για διαφορετικά ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού. Επιπροσθέτως, αντικείμενο μελέτης υπήρξε ο θεωρητικός και υπολογιστικός προσδιορισμός των τιμών της πτώσης πίεσης τόσο στον οριζόντιο κύριο αγωγό της διάταξης διαχωρισμού, όσο και στην περιοχή της διακλάδωσης τύπου Τ, για όλα τα εξεταζόμενη ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού και για γωνία διακλάδωσης 30°, ενώ τα εξαγόμενα θεωρητικά και υπολογιστικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν μεταξύ τους. Αρχικά, επιλέχθηκε και μελετήθηκε βιβλιογραφία συναφής με το φαινόμενο διαχωρισμού των φάσεων ενός πολυφασικού μίγματος και το φαινόμενο της πτώσης πίεσης, καθώς τα εν λόγω φαινόμενα και οι παράμετροι που τα επηρεάζουν χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερη πολυπλοκότητα. Έπειτα, προσδιορίστηκε ο θεωρητικά αναμενόμενος τύπος ροής στον αγωγό για τις εφαρμοζόμενες ροϊκές συνθήκες, ενώ υπολογίστηκαν θεωρητικά σημαντικά μεγέθη που καθορίζουν τη διφασική ροή όπως το κλάσμα κενού και η διατμητική τάση τοιχώματος, καθώς και οποιοδήποτε άλλο μέγεθος κρίθηκε απαραίτητο για την υπολογιστική διερεύνηση και την ορθή επίλυση του προβλήματος, όπως το ύψος του πρώτου υπολογιστικού κελιού και το μήκος του αγωγού εισόδου. Στη συνέχεια, έγινε χρήση του εμπορικού λογισμικού ANSYS και σχεδιάστηκαν η γεωμετρία και το υπολογιστικό πλέγμα για τη δισδιάστατη και την τρισδιάστατη υπολογιστική διερεύνηση, η οποία διεξήχθη στο ANSYS Fluent. Για κάθε αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας χρησιμοποιήθηκαν συγκεκριμένοι συνδυασμοί παροχών όγκου αέρα νερού . Πιο αναλυτικά, για τις περιπτώσεις που αφορούσαν την επίδραση του μοντέλου τύρβης μελετήθηκε ο συνδυασμός των μέγιστων ογκομετρικών παροχών αέρα, 155 NL/min, και νερού, 50 L/min, αντίστοιχα, ενώ η διακλάδωση τύπου Τ είχε κατακόρυφο προσανατολισμό. Η εν λόγω μελέτη πραγματοποιήθηκε τόσο σε δισδιάστατη, όσο και σε τρισδιάστατη γεωμετρία και πλέγμα. Στη συνέχεια, για την εύρεση του βαθμού διαχωρισμού και του τρόπου που αυτός μεταβαλλόταν για αύξηση της ογκομετρικής παροχής νερού, πραγματοποιήθηκε δισδιάστατη προσομοίωση και μελετήθηκαν τρεις (3) παροχές όγκου νερού, 8.33 L/min, 33.33 L/min, και 50 L/min, για σταθερή παροχή όγκου αέρα, 155 NL/min , και δύο (2) προσανατολισμούς διακλάδωσης τύπου Τ, 30° και 45°. Έπειτα, για την εύρεση της πτώση πίεσης μελετήθηκαν σε τρισδιάστατο υπολογιστικό μοντέλο και για γωνία διακλάδωσης 30° πέντε (5) ζεύγη παροχών όγκου αέρα και νερού, όπου, όπως και πριν, η παροχή όγκου νερού διατηρούταν σταθερή και ίση με 50 L/min, ενώ οι παροχές όγκου αέρα ήταν: α)18 NL/min, β)36 NL/min, γ)70 NL/min, δ)85 NL/min και ε)155 NL/min. Πέραν της υπολογιστικής διερεύνησης, πραγματοποιήθηκε και θεωρητικός υπολογισμός της πτώσης πίεσης για τα ανωτέρω ζεύγη παροχών, χρησιμοποιώντας τα εξής θεωρητικά μοντέλα: α) Ομογενές Μοντέλο, β) Lockhart-Martinelli και γ) Beggs – Brill . Τα δισδιάστατα και τρισδιάστατα υπολογιστικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν στο πλαίσιο της υπολογιστικής διερεύνησης σχεδιάστηκαν με τη βοήθεια του λογισμικού ANSYS, και αποτελούνταν από έναν οριζόντιο αγωγό για την είσοδο του νερού, έναν αγωγό για την είσοδο του αέρα με κλίση 45° ως προς τον οριζόντιο αγωγό, τον οριζόντιο κύριο αγωγό μήκους 700 mm, τη διακλάδωση τύπου Τ, με κλάδο μήκους 300 mm και προσανατολισμό 30°, 45° και 90° γωνία ανάλογα την εξεταζόμενη περίπτωση, και, τέλος, από τον οριζόντιο αγωγό εξόδου μήκους 300 mm. Το συνολικό μήκος της διάταξης ήταν 1210 mm και η διάμετρος του αγωγού ήταν σταθερή σε όλα τα σημεία του με τιμή 20 mm. Από τα αποτελέσματα της υπολογιστικής διερεύνησης, όσον αφορά την επίδραση του μοντέλου τύρβης, ως καταλληλότερο, τόσο για τη δισδιάστατη, όσο και για την τρισδιάστατη κλίμακα μελέτης, κρίθηκε το Realizable k-ε μοντέλο με την επιλογή SWF (Standard Wall Functions). Επιπλέον, παρατηρήθηκε ότι η τιμή του βαθμού διαχωρισμού για τις εξεταζόμενες ροϊκές συνθήκες, τόσο για γωνία πλευρικού αγωγού 30°, όσο και για γωνία 45°, μειωνόταν με αύξηση της ογκομετρικής παροχής του νερού, ενώ η γεωμετρία με κλίση αγωγού διακλάδωσης 30° εμφάνιζε ελαφρά υψηλότερες τιμές έναντι αυτής των 45°. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί η σημαντική απόκλιση που παρουσιάστηκε στις προβλέψεις των τιμών της βαθμίδας πίεσης για τα διαφορετικά θεωρητικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν, με τις προβλέψεις του Ομογενούς μοντέλου και του μοντέλου Lockhart-Martinelli να παρουσιάζουν σύμπτωση μεταξύ τους, αλλά να βρίσκονται αρκετά μακριά από τις αντίστοιχες του μοντέλου Beggs-Brill, οι οποίες παρουσίασαν σχετικά ικανοποιητική ταύτιση με τις τιμές που προβλέφθηκαν από το υπολογιστικό μοντέλο.