Υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση διφασικής ροής αέρα-νερού σε διαχωριστή τύπου T-junction υπό γωνία διαχωρισμού 60o με αγωγούς κυκλικής διατομής

• Κύριος συγγραφέας: Ασσιούρας, Νικόλαος
• Άλλοι συγγραφείς: Assiouras, Nikolaos
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Διακλάδωση τύπου T; Διαχωρισμός φάσεων; Διφασική ροή αέρα-νερού; Πειραματική διερεύνηση; Υπολογιστική ρευστοδυναμική; T-junction; Phase separation; Air-water two-phase flow; Experimental investigation; Computational fluid dynamics

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση διαχωριστή τύπου T-junction με γωνία διαχωρισμού 60ο. Το προβάδισμα που απολαμβάνουν αυτού του είδους οι διαχωριστές διφασικών ροών αερίου-υγρού, έναντι των υπολοίπων διαχωριστών που βασίζονται σε βαρυτικές ή/και φυγοκεντρικές δυνάμεις, καθιστά την εις βάθος ανάλυσή τους και κατ’ επέκταση την βελτιστοποίησή τους πολύ ενδιαφέρον ερευνητικό πεδίο. Δεδομένου ότι εν γένει οι πολυφασικές ροές διακρίνονται για την πολύπλοκη περιγραφή τους, αναντίρρητα η διερεύνηση του διαχωρισμού διφασικών ροών εισαγάγει επιπρόσθετες παραμέτρους που επηρεάζουν το φαινόμενο και δυσκολεύουν περαιτέρω την προσέγγισή του. Ειδικότερα, οι παράμετροι που παρουσιάζονται εκτενέστερα στο παρόν κείμενο και επηρεάζουν τον διαχωρισμό μιας διφασικής ροής είναι το αναπτυσσόμενο μοτίβο ροής, η ταχύτητα της κάθε φάσης χωριστά, το κλάσμα κενού του μίγματος, η ολική πίεση και η βαθμίδα πίεσης. Ταυτόχρονα, ο βαθμός διαχωρισμού και το ποσοστό συμπαράσυρσης αποτελούν ένα δείκτη σύγκρισης μεταξύ περιπτώσεων διαχωρισμού, αναδεικνύοντας την βέλτιστη και αποδοτικότερη λύση κατά περίπτωση. Η επιστημονική κοινότητα έχει στρέψει το ενδιαφέρον της στη συσχέτιση της αποτελεσματικότητας του διαχωρισμού με τις παραμέτρους αυτές, ένα εγχείρημα αρκετά δύσκολο λόγω της αδυναμίας ενός καθολικά εφαρμοζόμενου θεωρητικού μοντέλου να δώσει ακριβή αποτελέσματα σε μεγάλη ποικιλία εφαρμογών. Στην παρούσα τεχνική έκθεση παρουσιάζονται και συγκρίνονται τα αποτελέσματα του βαθμού διαχωρισμού μεταξύ υπολογιστικής και πειραματικής διερεύνησης, συμπεραίνοντας ότι οι μικρότερες ογκομετρικές παροχές νερού επιτυγχάνουν τους αποδοτικότερους βαθμούς διαχωρισμού, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι μεγαλύτερες παροχές νερού οδηγούν σε αποθαρρυντικά αποτελέσματα, ταυτόχρονα η παροχή αέρα επηρεάζει με τον ίδιο τρόπο τον βαθμό διαχωρισμού αλλά πολύ πιο ασθενέστερα. Επιπλέον, υπολογίζεται η βαθμίδα πίεσης της διφασικής ροής στον αγωγό με τη βοήθεια, α) του ομογενούς μοντέλου, β) του μοντέλου Beggs-Brill και γ) του μοντέλου Olujic, και συγκρίνεται με τα αποτελέσματα της βαθμίδας πίεσης των κατά περίπτωση υπολογιστικών προσομοιώσεων από όπου και προκύπτει ότι το μοντέλο του Olujic συγκλίνει περισσότερο σε αυτά. Παρομοίως, υπολογίζεται το κλάσμα κενού με τη βοήθεια, α) του ομογενούς μοντέλου, β) του μοντέλου Premoli και γ) του μοντέλου Beggs-Brill, και συγκρίνεται με τα αποτελέσματα των κατά περίπτωση υπολογιστικών προσομοιώσεων από όπου προκύπτει ότι το μοντέλο του Premoli συγκλίνει περισσότερο σε αυτά. Συμπληρωματικά, παρατίθενται το ποσοστό συμπαράσυρσης, η ταχύτητα του μίγματος πριν και μετά τη διακλάδωση, καθώς και η βαθμίδα πίεσης μετρούμενη στην περιοχή που παρεμβάλλεται η διακλάδωση, μεγέθη τα οποία αντλούνται από τις αριθμητικές επιλύσεις των περιπτώσεων ροϊκών προβλημάτων μέσω του λογισμικού ANSYS Fluent. Ακόμη, παρουσιάζεται η οπτικοποίηση της κατανομής των φάσεων στον αγωγό κατά την πειραματική διαδικασία με τη χρήση φωτογραφικών λήψεων και κατά την υπολογιστική προσομοίωση με τα εργαλεία που προσφέρει το λογισμικό Fluent, ενώ τελικώς συγκρίνονται μεταξύ τους ως προς το αναπτυσσόμενο μοτίβο ροής. Μάλιστα, παρατηρείται αντιστοιχία μεταξύ υπολογιστικής και πειραματικής διερεύνησης, αφού και στις δυο περιπτώσεις αναπτύσσεται στον οριζόντιο κύριο αγωγό μοτίβο στρωματοποιημένης (stratified flow) ή κυματοειδούς στρωματοποιημένης (stratified-wavy flow) ροής, σε αντίθεση με το προβλεπόμενο μοτίβο ροής που προκύπτει από την θεωρητική προσέγγιση με τη βοήθεια του ροϊκού χάρτη του Baker, γεγονός που οφείλεται στην γενικότητα των θεωρητικών ροϊκών χαρτών. Εν κατακλείδι, στην παρούσα διπλωματική εργασία εσωκλείονται πληροφορίες για την πειραματική διάταξη στην οποία γίνονται τα πειράματα, καθώς επίσης και τα τεχνικά χαρακτηριστικά και τα κατασκευαστικά σχέδια των επιμέρους εξαρτημάτων και μετρητικών οργάνων που χρησιμοποιούνται. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία και ο τρόπος διεκπεραίωσής της για την σειρά πειραμάτων που διεξάγονται για συνδυασμούς πέντε διαφορετικών ογκομετρικών παροχών αέρα με τέσσερις διαφορετικές ογκομετρικές παροχές νερού. Τέλος ακόμη, παρουσιάζονται συνοπτικά η κατασκευή της γεωμετρίας και του υπολογιστικού πλέγματος, τα μοντέλα και οι αλγόριθμοι που επιλέγονται και γενικότερα η διαδικασία που ακολουθείται για την πραγματοποίηση των αριθμητικών επιλύσεων με τη βοήθεια του εμπορικού λογισμικού ANSYS Fluent και βεβαίως περιέχεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο που εν γένει διέπει τις ροές των ρευστών και ειδικότερα τις διφασικές ροές που είναι και το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας.