Αριθμητική προσομοίωση διφασικής ροής αέρα - νερού σε αγωγό μικρής διαμέτρου με διακλάδωση τύπου Τ και κλίση πλευρικού αγωγού 30 μοιρών

• Main Author: Γκλαβάς, Χρήστος
• Other Authors: Gklavas, Christos
• Language: Greek
• Published: 2020
• Subjects: Διακλάδωση τύπου Τ; Διφασική ροή αέρα - νερού; Βαθμός διαχωρισμού; Πτώση πίεσης; T - junction branch; Two phase air - water flow; Separation efficiency; Pressure drop

Στην διπλωματική εργασία που θα παρουσιαστεί στην συνέχεια μελετήθηκε ο φυσικός διαχωρισμός διφασικής ροής αέρα – νερού σε διακλάδωση τύπου Τ με κλίση πλευρικού αγωγού 30° σε τρισδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε η μεταβολή του βαθμού διαχωρισμού για εννέα ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα – νερού. Επιπλέον, μελετήθηκε η πτώση πίεσης κατά μήκος του οριζόντιου αγωγού για τα ίδια εννέα ζεύγη ογκομετρικών παροχών και στην συνέχεια συγκρίθηκε με την προβλεπόμενη πτώση πίεσης από τρία θεωρητικά μοντέλα (Ομογενούς Ροής, Chisholm και Friedel). Τέλος, συγκρίθηκε το προβλεπόμενο από τον ροϊκό χάρτη του Baker μοτίβο ροής που θα αναπτυχθεί εντός του αγωγού με το μοτίβο ροής που αναπτύχθηκε στην υπολογιστική προσομοίωση και εξήχθησαν συμπεράσματα για τις διαφορές τους. Για να επιτευχθεί μια υπολογιστική προσομοίωση με ορθά αποτελέσματα, αρχικά μελετήθηκε ελληνική και διεθνής βιβλιογραφία σε θεωρητικό επίπεδο, με απώτερο σκοπό την εξοικείωση με το φαινόμενο του διαχωρισμού και το πλήθος των παραγόντων που το επηρεάζουν. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, αρχικά παρουσιάζεται αναλυτικά η θεωρητική γνώση που απαιτείται για την σφαιρική κατανόηση του φαινομένου, δηλαδή αναλύονται οι πολυφασικές και τυρβώδεις ροές καθώς και οι διακλαδώσεις τύπου Τ. Επιπλέον, παρουσιάζονται λεπτομερώς τα θεωρητικά μοντέλα υπολογισμού της διατμητικής τάσης στο τοίχωμα του αγωγού, του κλάσματος κενού και του μήκους του αγωγού εισόδου του διαχωριστή που χρησιμοποιήθηκαν για την εύρεση τιμών απαραίτητων στην υπολογιστική διαδικασία. Επίσης, παρουσιάστηκαν τα τρία θεωρητικά μοντέλα υπολογισμού της πτώσης πίεσης, τα αποτελέσματα των οποίων συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα των υπολογιστικών προσομοιώσεων. Για την υπολογιστική προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ANSYS με χρήση των επιμέρους τμημάτων του. Για την δημιουργία της γεωμετρίας χρησιμοποιήθηκε η εφαρμογή Design Modeler, ενώ για την δημιουργία του υπολογιστικού πλέγματος η εφαρμογή Ansys Meshing, στις οποίες ήταν απαραίτητο το θεωρητικά υπολογισμένο μήκος του αγωγού εισόδου του διαχωριστή καθώς και η θεωρητικά υπολογισμένη διατμητική τάση στο τοίχωμα για την εύρεση του ύψους του 1ου υπολογιστικού κελιού από το τοίχωμα του αγωγού αντίστοιχα. Για την επίλυση των υπολογιστικών προσομοιώσεων και την εξαγωγή αριθμητικών και οπτικών αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας Fluent, αφού ρυθμίστηκαν κατάλληλα όλες οι συνθήκες και οι παράμετροι της προσομοίωσης. Η γεωμετρία που σχεδιάστηκε αποτελείται εξ ολοκλήρου από αγωγούς διαμέτρων 20 mm. Πιο συγκεκριμένα, αποτελείται από τον οριζόντιο αγωγό προσαγωγής νερού και τον υπό κλίση 45° αγωγό προσαγωγής αέρα μήκους 50 mm. Εν συνεχεία υπάρχει το τμήμα μίξης των δύο φάσεων μήκους 20 mm και ο αγωγός εισόδου του διαχωριστή μήκους 700 mm, ο οποίος οδηγεί στον πλευρικό αγωγό κλίσης 30° και μήκους 300 mm και στον κεντρικό αγωγό εξόδου μήκους 300 mm. Τελικά, η διάταξη έχει συνολικό μήκος 1,070 mm και ύψος 170 mm. Όπως προαναφέρθηκε, μελετήθηκαν εννέα ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα – νερού, τα οποία προκύπτουν από τρεις παροχές αέρα και τρεις παροχές νερού. Οι παροχές του αέρα που χρησιμοποιήθηκαν είναι: Q_a1=69 ΝL⁄min,Q_a2=85 NL⁄min και Q_a3=154 NL⁄min, ενώ οι τρεις παροχές του νερού είναι: Q_w1=17 L⁄min,Q_w2=33 L⁄min και Q_w3=50 L⁄min. Οι εννέα συνδυασμοί που προκύπτουν από τις παροχές αυτές χρησιμοποιήθηκαν για την τρισδιάστατη προσομοίωση της διφασικής ροής και την μελέτη της μεταβολής του βαθμού διαχωρισμού και της πτώσης πίεσης στην διάταξη διαχωρισμού με πλευρικό αγωγό κλίσης 30°. Αναλυτικότερα, τα αποτελέσματα σε κάθε περίπτωση παρουσιάστηκαν αρχικά ως προς «σταθερή παροχή αέρα» και στην συνέχεια ως προς «σταθερή παροχή νερού», δηλαδή η παρουσίαση έγινε με κατάλληλο τρόπο ώστε να γίνεται εμφανές το αποτέλεσμα που έχει η αύξηση της παροχής του νερού και η αύξηση παροχής του αέρα στον βαθμό διαχωρισμού και την πτώση πίεσης. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την μελέτη των αποτελεσμάτων των τρισδιάστατων υπολογιστικών προσομοιώσεων, καταδεικνύουν την δυσκολία πρόβλεψης της συμπεριφοράς μιας διφασικής ροής αέρα – νερού όταν μεταβάλλονται οι παροχές των δύο φάσεων. Ο βαθμός διαχωρισμού του διφασικού μίγματος και η πτώση πίεσης κατά μήκος του αγωγού δεν εμφάνισαν σταθερό τρόπο μεταβολής των τιμών τους. Υπάρχουν δηλαδή περιπτώσεις και για τα δύο υπό εξέταση μεγέθη όπου η μεταβολή μιας εκ των δύο ογκομετρικών παροχών των φάσεων μπορεί να οδηγήσει είτε σε μείωση είτε σε αύξηση της τιμής τους, γεγονός αδύνατο να προβλεφθεί εκ των προτέρων χωρίς την πραγματοποίηση υπολογιστικής προσομοίωσης.