Συστήματα καύσης με περιδίνιση : επίδραση εξωτερικής παράλληλης ροής σε μια περιδινούμενη δέσμη εκροής

• Κύριος συγγραφέας: Γιανναδάκης, Αθανάσιος
• Άλλοι συγγραφείς: Πανίδης, Θράσος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2009
• Θέματα: Περιδινούμενες δέσμες; Ομοαξονικές δέσμες; Vortex breakdown; DPIV; Swirling jets; Coaxial jets; 533.62

Η διδακτορική διατριβή αφορά την πειραματική μελέτη του ισόθερμου ροϊκού πεδίου που αναπτύσσεται λόγω της αλληλεπίδρασης μιας περιδινούμενης δέσμης με μια εξωτερική παράλληλη ροή. Η συγκεκριμένη μελέτη έχει άμεση αναφορά σε διατάξεις καύσης (στροβιλοκινητήρες, φούρνους υαλουργίας, καυστήρες ντίζελ σε πλοία) και ως στόχο έχει την εμβάθυνση της κατανόησης των φυσικών μηχανισμών που αναπτύσσονται στο μέσο και τυρβώδες ροϊκό πεδίο αλλά και στη βελτίωση της διαδικασίας μίξης μεταξύ καυσίμου και οξειδωτικού μέσω του χαρακτηρισμού του τρισδιάστατου διατμητικού στρώματος που δημιουργείται λόγω της αλληλεπίδρασης τους. Αναλυτικότερα, στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής μελετώνται διαφορετικές συνθήκες αλληλεπίδρασης (λόγος παροχής μαζών) μεταξύ μιας εσωτερικής περιδινούμενης δέσμης εκροής και μια εξωτερικής ομοαξονικής ροής. Η δημιουργία της περιδίνησης βασίζεται στην εφαπτομενική έγχυση ρευστού, μια τεχνική της οποίας τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά έχουν μελετηθεί ελάχιστα στη μέχρι τώρα βιβλιογραφία. Το υπό μελέτη ροϊκό πεδίο παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον τόσο ως προς την πολυπλοκότητα του όσο και ως προς τη διερεύνηση παραμέτρων που επηρεάζουν την απόδοση συστημάτων καύσης. Το κύριο σκέλος αποτελεσμάτων που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή αφορά πειραματικές μετρήσεις οι οποίες πραγματοποιήθηκαν με τη μέθοδο Ταχυμετρίας Απεικόνισης Σωματιδίων (Digital Particle Image Velocimetry). Παρ’ όλα αυτά, στα πλαίσια του σχεδιασμού της πειραματικής διάταξης και της αρχικής αξιολόγησης του ροϊκού πεδίου, παρουσιάζονται αποτελέσματα τα οποία προέκυψαν με τη χρήση εμπορικού κώδικα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD-ACE+) και με την πειραματική μέθοδο Ανεμομετρίας Θερμού Νήματος διάταξης Χ (HWA-X probe). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν κατά πρώτα στάδια υλοποίησης της διδακτορικής διατριβής συσχετίζονται με αυτά της Ταχυμετρίας Απεικόνισης Σωματιδίων, επιτρέποντας είτε την αξιολόγηση των διάφορων τυρβωδών μοντέλων και διαφορικών σχημάτων των εξισώσεων κίνησης ή την επιβεβαίωση των συμπερασμάτων μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων των δύο πειραματικών μεθόδων. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής γίνεται αναφορά και σύγκριση με παρόμοιες διατάξεις ομοαξονικών ροών, ενώ προκύπτουν νέα στοιχεία σχετικά με τα κριτήρια ομοιότητας ομοαξονικών ροών με περιδίνηση και τους φυσικούς μηχανισμούς που αναπτύσσονται στο τρισδιάστατο στρώμα μίξης που διαμορφώνεται. Ιδιαίτερη έμφαση δίδεται στη σύνδεση της τοπολογίας του πεδίου ανακυκλοφορίας (φυσαλίδα ανακυκλοφορίας, στροβιλιζόμενος δακτύλιος) με τη δυναμική του μέσου και τυρβώδους ροϊκού πεδίου αλλά και στην επίδραση της μεταβολής του αριθμού Rossby στην ίδια τη φυσαλίδα ανακυκλοφορίας. Από την ανάλυση επίδρασης της φυσαλίδας ανακυκλοφορίας στο ροϊκό πεδίο προκύπτει η τοπολογία των ζωνών υψηλής μίξης μεταξύ των δύο ροών αλλά και αυτών που χαρακτηρίζονται από υψηλές τιμές τυρβώδους κινητικής ενέργειας όπως και από υψηλά επίπεδα ανακυκλοφορίας. Η μελέτη των χαρακτηριστικών του τρισδιάστατου διατμητικού στρώματος καταδεικνύει την ισχυρή αλληλεπίδραση του διαμήκους με το αζιμουθιακό διατμητικό στρώμα και παρέχει σημαντική πληροφορία ως προς την εξέλιξη της μίξης μεταξύ της περιδινούμενης δέσμης εκροής και της εξωτερικής ομοαξονικής ροής. Για την καλλίτερη κατανόηση της διαδικασίας μίξης εισαγάγεται ο συντελεστής διάχυσης στροφορμής (λ) ο οποίος παρέχει σημαντική πληροφορία ως προς την εξέλιξη της περιδινούμενης δέσμης εκροής σε σχέση με τις συνθήκες εισαγωγής του ροϊκού πεδίου. Τέλος, επιχειρείται η αναπαράσταση του τρισδιάστατου ροϊκού πεδίου από την επαλληλία των αποτελεσμάτων στο διαμήκες και εγκάρσιο επίπεδο μετρήσεων, όπου απεικονίζεται η τοπολογία της φυσαλίδας ανακυκλοφορίας. Από τη μελέτη των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι η κλασική προσέγγιση ταξινόμησης ροών με περιδίνηση σύμφωνα με το βαθμό στροβιλισμού δεν επαρκεί για σύνθετες ροές όπως αυτή που εξετάζεται στην παρούσα διατριβή. Για αυτό το λόγο, προτείνεται ένας νέος αδιάστατος αριθμός (αριθμός Rossby) ο οποίος σχετίζει το πεδίο πιέσεων που δημιουργείται λόγω της συμπαράσυρσης της εσωτερικής δέσμης από την εξωτερική με αυτό που οφείλεται στην περιδίνηση της εσωτερικής δέσμης εκροής. Η εισαγωγή του τροποποιημένου αριθμού Rossby βασίστηκε στην ήδη υπάρχουσα βιβλιογραφία (σύγκριση δυνάμεων αδράνειας με τις δυνάμεις επιτάχυνσης Coriolis) ως προς την επιλογή των κλιμάκων ταχύτητας, παρ’ όλα αυτά διαφοροποιείται μιας και στην ήδη υπάρχουσα θεωρία δεν υπάρχουν αναφορές σε ομοαξονικές ροές.