Υπολογιστική διερεύνηση του ροϊκού και του θερμικού πεδίου ελικοειδούς αγωγού με μία σπείρα για τρεις διαφορετικές τιμές του λόγου καμπυλότητας γ και για σταθερή θερμοκρασία τοιχώματος

• Κύριος συγγραφέας: Σκηνιώτης, Δημήτρης
• Άλλοι συγγραφείς: Skiniotis, Dimitris
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Καμπύλος ελικοειδής αγωγός; Εύρος κρίσιμου αριθμού Reynolds; Μετάβαση; Δευτερογενής ροή πρώτου είδους; Δίνες Dean; Curved helical tube; Secondary flow of the first kind; Computational fluid dynamics (CFD); Dean vortices

Σκοπός της εργασίας, είναι η υπολογιστική διερεύνηση για τη μετάβαση από την στρωτή στην τυρβώδη ροή εντός καμπύλου ελικοειδούς αγωγού σταθερής ακτίνας καμπυλότητας, καθώς και η θερμική μελέτη αυτού. Όσον αφορά την ανάλυση της μετάβασης της ροής, κύριο μέλημα είναι ο καθορισμός της τιμής του κρίσιμου αριθμού Reynolds, που διαφέρει από έναν ευθύγραμμο αγωγό, καθώς και η μελέτη της διαφοροποίησης αυτής της τιμής σε συνάρτηση με τη θέση εντός του αγωγού, αλλά και της καμπυλότητας του. Αυτό επιτυγχάνεται με την εφαρμογή τεσσάρων κριτηρίων μετάβασης από την στρωτή στην τυρβώδη ροή. Όσον αφορά τη θερμική μελέτη, αυτή αποσκοπεί στην σύγκριση της μεταφοράς θερμότητας των ελικοειδών αγωγών σε σχέση με τους αντίστοιχους ευθύγραμμους ίδιας διαμέτρου και μήκους, υπολογίζοντας την θερμοκρασία σε διάφορα σημεία. Σε κάθε περίπτωση, τα αποτελέσματα των μετρήσεων στους ελικοειδείς αγωγούς, επηρεάζονται από την ανάπτυξη της δευτερογενούς ροής πρώτου είδους και τη δημιουργία των δινών Dean. Για την αντιμετώπιση του καθορισμού του κρίσιμου αριθμού Reynolds έγινε διευρεύνηση για τρεις διαφορετικές γεωμετρίες καμπύλων ελικοειδών αγωγών με λόγους καμπυλότητας γ = 0.1 , γ = 0.05 και γ = 0.025. Η υπολογιστική ανάλυση έγινε με το ANSYS|FLUENT, αξιοποιώντας τρία διαφορετικά μοντέλα για την κάθε γεωμετρία και εφαρμόζοντας πάνω σε αυτά 4 διαφορετικά κριτήρια μετάβασης από την στρωτή στην τυρβώδη ροή. Τα κριτήρια αυτά χρησιμοποιούν τα μεγέθη: 1) dP/dx η αξονική βαθμίδα της πίεσης στη διεύθυνση του αγωγού, 2) το ιξώδες τύρβης t, 3) η διατμητική τάση τοιχώματος w, 4) το Intermittency factor , μέγεθος που μας δείχνει την πιθανότητα ένα σημείο ρευστού να βρίσκεται εντός στρωτής ή τυρβώδους ροής. Με βάση τα αποτελέσματα αυτών διαμορφώνονται σχέσεις προσδιορισμού του εύρους του 〖Re〗_crit καθώς η μετάβαση στους ελικοειδείς αγωγούς δεν συμβαίνει ακαριαία, όπως άλλωστε δεν συμβαίνει και στους ευθύγραμμους αγωγούς, αλλά γίνεται πολύ σταδιακά (〖Re〗_(crit low)<〖Re〗_crit<〖Re〗_(crit high)) και μάλιστα ομαλότερα από τους ευθύγραμμους, δηλαδή για μεγαλύτερο εύρος του κρίσιμου Re. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος της θερμικής μελέτης στους ελικοειδείς αγωγούς, μετρήθηκε η θερμοκρασία στην έξοδο τους και συγκρίθηκε με την θερμοκρασία εξόδου των αντίστοιχων ευθύγραμμων αγωγών ίδιας διατομής και μήκους, εφαρμόζοντας το ίδιο πρόβλημα συνοριακών συνθηκών και επιλύοντας το με το ίδιο πλέγμα πεπερασμένων στοιχείων. Επιπλέον, για καλύτερη εποπτεία της θερμικής ανάλυσης των ελικοειδών αγωγών υπολογίστηκε και η θερμοκρασία κατά το μήκος τους και συγκρίθηκε επίσης με την θερμοκρασία στο αντίστοιχο μήκος των ευθύγραμμων.