Υπολογιστική διερεύνηση διφασικής ροής αέρα-νερού σε στραγγαλιστικά οργανα μέτρησης παροχής (ακροφύσιο και σωλήνας Venturi) με χρήση του cfd κώδικα fluent

• Κύριος συγγραφέας: Σμυρνιωτάκης, Βασίλης
• Άλλοι συγγραφείς: Smyrniotakis, Vasilis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Διφασική ροή; Αέρας-νερό; Στραγγαλιστικά όργανα; Ακροφύσια; Σωλήνας Venturi; Two-phase air-water flow; Air-water

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η υπολογιστική διερεύνηση της διφασικής ροής αέρα-νερού σε στραγγαλιστικά όργανα μέτρησης παροχής (ακροφύσιο και σωλήνας Venturi). Τα ακροφύσια και οι σωλήνες Venturi είναι συσκευές μέτρησης παροχής των ρευστών. Μαζί με το διάτρητο διάφραγμα βρίσκονται στην κατηγορία των παροχόμετρων διαφοράς πίεσης (ή οργάνων στραγγαλισμού της ροής). Η βασική αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται στην πτώση πίεσης που δημιουργούν, αφού αναγκάζουν το ρέον ρευστό να διέλθει μέσω μιας στένωσης. Πρέπει να αναφερθεί ότι ένα σημαντικό ποσό της πτώσης πίεσης παραμένει μη ανακτήσιμο, αφού η πίεση μετά το όργανο είναι πάντα μικρότερη αυτής πριν το όργανο. Για την υπολογιστική ανάλυση της διφασικής ροής αέρα- νερού μέσα από τα προαναφερθέντα στραγγαλιστικά όργανα χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό λογισμικό πακέτο FLUENT 6.3.26. Για την δημιουργία του πλέγματος χρησιμοποιήθηκε το σχεδιαστικό πρόγραμμα προεπεξεργασίας Gambit 2.4.6. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης έγινε χρησιμοποιώντας το Microsoft Office Excel 2007. Τα πλέγματα που χρησιμοποιήθηκαν για τις προσομοιώσεις είναι δομημένα στο μεγαλύτερο μέρος τους και σε κάποια σημεία του ακροφυσίου είναι αδόμητα. Δημιουργήθηκαν δύο διαφορετικά μοντέλα για κάθε στραγγαλιστικό μέσο. Στο πρώτο μοντέλο η μεταβολή της διαμέτρου είναι από τα 100mm στα 50mm ενώ στο δεύτερο από τα 100mm στα 70mm. Στο ακροφύσιο το πρώτο μοντέλο αποτελείται από 5200 κελιά ενώ το δεύτερο από 3750. Στο σωλήνα Venturi και τα δύο μοντέλα αποτελούνται από 10800 κελιά. Στο λογισμικό πακέτο Fluent προσομοιώθηκε η διφασική ροή αέρα-νερού και εξετάστηκε σε διάφορες περιπτώσεις. Σε πρώτη φάση ορίστηκαν οι αρχικές συνθήκες της ροής και μελετήθηκαν τρεις διαφορετικές ταχύτητες ροής (5,10 και 15m/s). Για κάθε μία από αυτές καλύφθηκε κάθε πιθανό κλάσμα όγκου αέρα-νερού(0,1 έως 0,9 με ακρίβεια δεκαδικού) και εφαρμόστηκαν τρία διαφορετικά μοντέλα τύρβης (Eulerian k-ε, Mixture k-ε και Spallart-Allmaras). Έχοντας τα αποτελέσματα παρατηρήθηκε ότι οι διαφορές μεταξύ των ποσοστών μίξης αέρα-νερού, για την ίδια ταχύτητα εισαγωγής του μίγματος, είναι πολύ μικρές. Όπως αναμενόταν, υπάρχει απότομη αύξηση της ταχύτητας στην είσοδο των στραγγαλιστικών οργάνων. Μετά την έξοδο του ακροφυσίου, στη διατομή με τη μικρή στένωση (5cm) φαίνεται ότι, η ταχύτητα στο εξεταζόμενο μήκος του ροϊκού πεδίου παραμένει σταθερή χωρίς να μειώνεται στο επίπεδο της αρχικής τιμής, ενώ στη διατομή με τη μεγάλη στένωση (7cm) μειώνεται και παραμένει σταθερή σε τιμές λίγο μεγαλύτερες από την αρχική. Αντίστοιχα, στο σωλήνα Venturi, η ταχύτητα στη διατομή με τη μικρή στένωση (5cm) μειώνεται καθώς το μίγμα αέρα-νερού απομακρύνεται από την έξοδο του σωλήνα Venturi και μένει σταθερή σε τιμές που είναι λίγο μεγαλύτερες από την αρχική, ενώ στη διατομή με τη μεγάλη στένωση (7cm), η ταχύτητα μειώνεται καθώς το μίγμα απομακρύνεται από την έξοδο του σωλήνα Venturi και παραμένει σταθερή και ίση με την αρχική. Επίσης παρατηρήθηκε μια απόκλιση, στις τιμές μεταξύ των μοντέλων τύρβης Eulerian,k-ε και Mixture,k-ε της τάξης του 3,99% για τη διατομή «10-5» και 0,34% για τη διατομή «10-7» στο ακροφύσιο, ενώ στο σωλήνα Venturi η απόκλιση ήταν της τάξης 1,21% και 0,28% αντιστοίχως. Μέσα από τη προσομοίωση παρατηρήθηκε ότι το μοντέλο τύρβης Mixture, Spallart-Allmaras δεν ήταν εφικτό να εφαρμοστεί λόγω των αντιστροφών ροής που υπήρχαν στα στραγγαλιστικά όργανα. Οι αντιστροφές ροής παρατηρήθηκαν στις εξόδους των στραγγαλιστικών οργάνων και σε μεγαλύτερο βαθμό στο ακροφύσιο εξαιτίας της γεωμετρίας του. Ανακεφαλαιώνοντας αναφέρεται ότι στην εργασία αρχικά γίνεται εισαγωγή του θέματος και έπειτα αναλύονται στοιχεία θεωρίας για τη ροή των ρευστών(στρωτή και τυρβώδης), τα μοντέλα τύρβης που χρησιμοποιούνται, τη διφασική ροή και τα στραγγαλιστικά όργανα. Ύστερα, περιγράφεται αναλυτικά η διαδικασία κατασκευής του πλέγματος και η διαδικασία επίλυσής του στο FLUENT. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της υπολογιστικής διαδικασίας και γίνεται αναλυτικός σχολιασμός τους.