Υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση διφασικής ροής αέρα-νερού σε διάταξη διαχωρισμού με πλευρικό βραχίονα διακλάδωσης τύπου Τ υπό κλίση 30ο

• Κύριος συγγραφέας: Γλύκας, Μάρκος
• Άλλοι συγγραφείς: Glykas, Markos
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Διακλάδωση τύπου Τ; Διφασική ροή αέρα νερού; Βαθμός διαχωρισμού; Πτώση πίεσης; T-type branching; Two-phase air-water flow; Degree of separation; Pressure drop

Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε η πειραματική και υπολογιστική ανάλυση, μέσω του ANSYS Fluent, για τον διαχωρισμό διφασικής ροής αέρα-νερού σε διάταξη διαχωρισμού τύπου Τ (T-Junction) με κλίση πλευρικού αγωγού 30ο . Η ανάλυση ουσιαστικά αποτελείται από δύο μέρη, το πειραματικό και το υπολογιστικό και αποσκοπεί στην σύγκριση των δύο αυτών μεθόδων. Το αποτέλεσμα προς σύγκριση είναι ο βαθμός διαχωρισμού της διφασικής ροής για δώδεκα ζευγάρια ογκομετρικών παροχών αέρα νερού. Συγκεκριμένα, οι μετρήσεις έγιναν για τρείς ογκομετρικές παροχές αέρα και τέσσερις νερού. Οι παροχές του αέρα είναι οι Qa1 = 18 L/min, Qa2 = 30 L/min και Qa3 = 40 L/min και του νερού οι Qw1 = 8.33 L/min, Qw2 = 16.7 L/min, Qw3=25 L/min και Qw4 = 33.3 L/min. Σημαντική σύγκριση μεταξύ υπολογιστικής και πειραματικής διαδικασίας είναι επίσης η οπτικοποίηση της κατανομή των φάσεων. Επιπρόσθετα, μέσω της υπολογιστικής προσομοίωσης μελετήθηκε η πτώση πίεσης κατά μήκος του οριζόντιου αγωγού και συγκρίθηκε με τα θεωρητικά μοντέλα (εμπειρικά και φαινομενολογικά). Στα εμπειρικά κατατάσσονται το Ομογενές και το μοντέλο Muller-Steinhagen & Heck ενώ στα φαινομενολογικά το Beattie&Whalley και Olujic. Επίσης, υπολογίζεται το κλάσμα κενού το οποίο συγκρίνεται με το θεωρητικό μοντέλο του Premoli και τέλος υπολογίζεται το ποσοστό συμπαράσυρσης της υγρής φάσης στον πλευρικό αγωγό των 30ο . Όσον αφορά το πειραματικό μέρος, στην παρούσα διπλωματική παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα χαρακτηριστικά που συνέλαβαν στην ορθή εκπόνηση της πειραματικής διαδικασίας. Αρχικά παρατίθενται φωτογραφίες της πειραματικής διάταξης και αναλύονται εκτενώς όλα τα μετρητικά και μη όργανα. Ειδικότερα παρατίθενται τα κατασκευαστικά σχέδια των επιμέρους πειραματικών οργάνων καθώς και ο τρόπος λειτουργίας τους. Στην συνέχεια αναλύεται πλήρως ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται το πείραμα. Συγκεκριμένα παρουσιάζεται η διαδικασία έναρξης, εναλλαγής μεταξύ των ογκομετρικών παροχών και λήξης του πειράματος. Σε πρώτο στάδιο μετριέται η ογκομετρική παροχή του αέρα και έπειτα του νερού ώστε να γίνει η εισαγωγή του διφασικού μίγματος στους αγωγούς. Έπειτα μετριέται στο διάστημα των τριών (3) λεπτών η συνολική παροχή μάζας του αέρα στην έξοδο του πλευρικού αγωγού. Βρίσκοντας τον μέσο όρο του αποτελέσματος για το συγκεκριμένο χρονικό διάστημα και διαιρώντας τον με την παροχή μάζας του αέρα που εισέρχεται στην εγκατάσταση υπολογίζεται ο βαθμός διαχωρισμού. Το αποτέλεσμα αυτό συγκρίνεται στο τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας με την αντίστοιχη τιμή που προέκυψε από την υπολογιστική ανάλυση του ANSYS Fluent. Για την υλοποίηση της υπολογιστικής μοντελοποίησης προαπαιτείται μια σειρά θεωρητικών γνώσεων και μεθόδων. Συνεπώς, αρχικά παρουσιάζονται υπολογιστικές και θεωρητικές μέθοδοι για την ολική κατανόηση του φαινομένου. Ειδικότερα, αναφέρονται στοιχεία θεωρίας που αφορούν τις πολυφασικές ροές, τις τυρβώδεις ροές και τους διαχωριστές τύπου Τ. Στην συνέχεια υπολογίζονται κάποια απαραίτητα δεδομένα για την υπολογιστική διαδικασία όπως το ύψος του πρώτου υπολογιστικού κελιού, η διατμητική τάση στο τοίχωμα του αγωγού και το μήκος του αγωγού εισόδου. Ένας από τους στόχους της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σύγκριση των αποτελεσμάτων από το ANSYS Fluent με διάφορα θεωρητικά μοντέλα. Συγκεκριμένα, υπολογίζεται το κλάσμα κενού μέσω του εμπειρικού μοντέλου του Premoli και συγκρίνεται με την αντίστοιχη τιμή που προκύπτει από την υπολογιστική προσομοίωση. Έπειτα, υπολογίζεται η πτώση πίεσης μέσω των θεωρητικών μοντέλων που προαναφέρθηκαν και συγκρίνονται με την αντίστοιχη τιμή από την υπολογιστική διαδικασία. Σημειώνεται, ότι ο υπολογισμός του κλάσματος κενού καθώς και η πτώση πίεσης στο υπολογιστικό περιβάλλον του Fluent προκύπτουν από μετρήσεις σε συγκεκριμένα σημεία του αγωγού μέσω ειδικών επιφανειών εγκάρσιων προς την ροή (Surface Planes). Συμπερασματικά, στα αποτελέσματα που προκύπτουν μέσω της υπολογιστικής ανάλυσης, τόσο για τον βαθμό διαχωρισμού και το κλάσμα κενού όσο και για την πτώση πίεσης, δεν υπάρχει αναλογία σύγκρισης με τις αντίστοιχες πειραματικές και θεωρητικές τιμές. Συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα που προέκυψαν δεν έχουν σταθερή μεταβολή των τιμών τους ανάλογα με τις διάφορες περιπτώσεις των ογκομετρικών παροχών αέρα-νερού. Σε γενικές γραμμές όμως, παρόλο που μπορεί να υπάρχουν μεταβολές στην σταθερότητα των τιμών τα αποτελέσματα της υπολογιστικής προσομοίωσης συγκλίνουν σε μεγάλο ποσοστό στις πειραματικές και θεωρητικές τιμές. Συνεπώς, η εκπόνηση της υπολογιστικής ανάλυσης προσομοιώνει με σημαντική ακρίβεια την πειραματική διαδικασία.