Υπολογιστική διερεύνηση διφασικής ροής πετρελαίου - φυσικού αερίου σε αγωγό με διαχωριστή τύπου Τ

• Κύριος συγγραφέας: Σιδηρόπουλος, Γεώργιος
• Άλλοι συγγραφείς: Sidiropoulos, Georgios
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Διακλάδωση τύπου Τ; Διφασική ροή πετρελαίου-φυσικού Αερίου; Διαχωρισμός φάσεων; Υπολογιστική ρευστοδυναμική; T-junction; Two phase oil-natural gas flow; Phase separation; Computational fluid dynamics

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτέλεσε η τρισδιάστατη υπολογιστική διερεύνηση διφασικής ροής Πετρελαίου – Φυσικού Αερίου και πιο συγκεκριμένα, η μεταβολή του βαθμού διαχωρισμού ανάλογα με τις ογκομετρικές παροχές των δύο (2) αυτών καυσίμων σε αγωγό με μονή διακλάδωση τύπου Τ, που σχηματίζει γωνία 45° με το οριζόντιο επίπεδο. Επιπλέον, υπολογίστηκε το ποσοστό συμπαράσυρσης της υγρής φάσης, που στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι το Πετρέλαιο (Oil Carryover), στο κεκλιμένο τμήμα της διακλάδωσης καθώς και η πτώση ταχύτητας και πίεσης στην περιοχή διαχωρισμού της ροής. Για να επιτευχθεί μια υπολογιστική προσομοίωση με ορθά αποτελέσματα, 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, συνεπώς απαιτείται θεωρητικό υπόβαθρο για να γίνει έλεγχος των υπολογιστικών αποτελεσμάτων. Επιπλέον, αποκτήθηκε θεωρητικό υπόβαθρο επάνω στην Υπολογιστική Ρευστοδυναμική (CFD). Επειδή το πρόβλημα θα λυθεί στον υπολογιστή και όχι πειραματικά, θα πρέπει να μπορεί ο χρήστης να πηγαίνει από τη διαφορική εξίσωση που είναι ορισμένη στο συνεχές χώρο (π.χ. στον άξονα των πραγματικών αριθμών), στον υπολογιστή, όπου πλέον ο χώρος δεν είναι συνεχής αλλά διακριτός. Προκειμένου λοιπόν να επιλεχθούν τα κατάλληλα μαθηματικά μοντέλα και αριθμητικά σχήματα για την υλοποίηση της υπολογιστικής προσομοίωσης του παρόντος προβλήματος, καθώς επίσης και να γίνει ο κατάλληλος ορισμός υπολογιστικού χωρίου και το κατάλληλο Post-Processing (Ανάλυση Αποτελεσμάτων) με σκοπό τα αποτελέσματα που θα εξαχθούν να είναι ορθά και να ευσταθούν, πραγματοποιήθηκε τριβή επάνω στον τομέα της Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής. Η κατασκευή της γεωμετρίας στο παρόν πρόβλημα υλοποιήθηκε στο πρόγραμμα Rhinoceros ή όπως συνήθως αναφέρεται (Rhino 3D), το οποίο αποτελεί μία εμπορική εφαρμογή τρισδιάστατης μοντελοποιήσης CAD και στη συνέχεια έγινε χρήση του εμπορικού λογισμικού ANSYS v.16. Συγκεκριμένα, η γεωμετρία εισήχθη στο περιβάλλον του Ansys Meshing, για την κατασκευή του υπολογιστικού πλέγματος, ενώ στη συνέχεια μέσω του κώδικα Fluent ορίστηκε σαφώς το υπό μελέτη πρόβλημα και πραγματοποιήθηκε η υπολογιστική του επίλυση. Μελετήθηκαν τρία (3) διαφορετικά ζεύγη παροχών Πετρελαίου – Φυσικού Αερίου και συγκεκριμένα οι ογκομετρικές παροχές του Πετρελαίου ήταν α) 8.33 L⁄min , β) 25 L⁄min και γ) 33.33 L⁄min, ενώ οι αντίστοιχες του Φυσικού Αερίου: α) 18 L⁄min , β) 30 L⁄min και γ) 40 L⁄min. Το υπό σχεδίαση μοντέλο αποτελούνταν από δύο διαφορετικές εισόδους τύπου χωνιού, το ένα μέσα στο άλλο, όπου το εξωτερικό είχε διάμετρο εισαγωγής 40 mm και διάμετρο εξαγωγής 20 mm, ενώ το εσωτερικό διάμετρο εισαγωγής 20 mm και διάμετρο εξαγωγής 10 mm. Ενδιάμεσα των δύο χωνιών εισερχόταν το Πετρέλαιο ενώ εσωτερικά του μικρότερου το Φυσικό Αέριο. Μετά από 200 mm, το μήκος των δύο αυτών χωνιών, τα δύο ρευστά αναμειγνύονται εισερχόμενα στον οριζόντιο αγωγό διαμέτρου 20 mm και μήκους 700 mm. Στη συνέχεια το διφασικό μίγμα διαχωρίζεται συναντώντας διακλάδωση τύπου Τ, 45° , όπου τα τμήματα των δύο αγωγών εξόδου, του οριζόντιου και του πλευρικού είναι 300 mm. Το συνολικό μήκος της εγκατάστασης είναι 1200 mm. Στόχος είναι να αναπτυχθεί η κατάλληλη τεχνογνωσία: α) για τη μοντελοποίηση των σωληνώσεων που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές διφασικής ροής Πετρελαίου – Φυσικού Αερίου, με σκοπό την επίτευξη υψηλού βαθμού διαχωρισμού των φάσεων και χαμηλού ποσοστού συμπαράσυρσης υγρής φάσης και β) για την αριθμητική προσομοίωση διφασικής ροής σε τέτοιες εγκαταστάσεις.