Παραμετρική υπολογιστική διερεύνηση των χαρακτηριστικών ροής και ανάμειξης κατάντη σταθεροποιητικού σώματος κατάλληλου για διαστρωματωμένη καύση μειγμάτων αμμωνίας-αέρα
| datacite.contributor.RelatedPerson | Παπαδόπουλος, Πολύκαρπος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Κούτμος, Παναγιώτης | |
| datacite.contributor.Supervisor | Σούφλας, Κωνσταντίνος | |
| dc.contributor.author | Γαρδικιώτης, Σπυρίδων | |
| dc.contributor.other | Gardikiotis, Spyridon | |
| dc.date.accessioned | 2026-03-06T11:03:38Z | |
| dc.date.available | 2026-03-06T11:03:38Z | |
| dc.date.issued | 2026-03-05 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην υπολογιστική διερεύνηση των χαρακτηριστικών ροής και ανάμειξης κατάντη σταθεροποιητικού σώματος κωνικού σχήματος κατάλληλου για διαστρωματωμένη καύση μειγμάτων αμμωνίας-αέρα. Η ροή σταθεροποιείται σε ζώνη ανακυκλοφορίας κατάντη του σώματος, με στόχο την ανάπτυξη ενός αποδοτικού και ταυτόχρονα περιβαλλοντικά φιλικότερου συστήματος καύσης. H μοντελοποίηση της συγκεκριμένης διάταξης αποτελεί παράλληλα προπαρασκευαστικό στάδιο για τον σχεδιασμό συστημάτων αμμωνίας-αέρα σε πειραματικό επίπεδο σε μελλοντικές προσπάθειες, μέσω της κατανόησης αρχικά του ισόθερμου πεδίου ροής και ανάμειξης. Η εργασία ξεκινά με ανάλυση των βασικών εννοιών της καύσης και των καυσίμων, με ιδιαίτερη έμφαση στην αμμωνία, αναδεικνύοντας τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τις προκλήσεις της ως εναλλακτικού carbon-free καυσίμου. Ακολουθεί διερεύνηση των χαρακτηριστικών των φλογών, των παραμέτρων που επηρεάζουν την ταχύτητα διάδοσής τους και των κρίσιμων φαινομένων αποκόλλησης (blow-off) και επιστροφής φλόγας (flashback). Επιπλέον, εξετάζονται τα ροϊκά πεδία και ειδικότερα η τυρβώδης ροή, η οποία επηρεάζει καθοριστικά τη διαδικασία καύσης και τη λειτουργία της επιλεγμένης διάταξης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη σημασία των σταθεροποιητικών σωμάτων για τη διατήρηση και τον έλεγχο της φλόγας. Για την εκπόνηση της εργασίας χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ANSYS Fluent. Αρχικά κατασκευάστηκε η γεωμετρία της διάταξης και, μέσω της επιλογής κατάλληλου όγκου ελέγχου και συνοριακών συνθηκών, δημιουργήθηκαν διαφορετικά πλέγματα πεπερασμένων στοιχείων. Ακολούθησε μελέτη ανεξαρτησίας πλέγματος για την επιλογή του καταλληλότερου, προκειμένου να εξασφαλιστεί η αριθμητική ακρίβεια και η αξιοπιστία των αποτελεσμάτων. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις του ισόθερμου πεδίου ροής για τρεις διαφορετικές παροχές καυσίμου. Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις εκτελέστηκαν σε καθεστώς μόνιμης ροής (steady-state), με χρήση του μοντέλου τύρβης Realizable k-ε, το οποίο επιλέχθηκε λόγω της βελτιωμένης πρόβλεψης των τυρβωδών τάσεων και της αυξημένης αξιοπιστίας του σε ροές με έντονη καμπυλότητα, διατμητικά στρώματα και ανακυκλοφορία, χαρακτηριστικά της παρούσας γεωμετρίας με bluff body. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων επικεντρώθηκε στις κατανομές των αξονικών και ακτινικών ταχυτήτων, της τυρβώδους κινητικής ενέργειας και του λόγου ισοδυναμίας κατάντη του σταθεροποιητικού σώματος. Παρατηρήθηκαν διαφοροποιήσεις στη μορφή και την ένταση της ζώνης ανακυκλοφορίας σε κάθε περίπτωση και σχολιάζονται εκτενώς στο τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας. Η συγκριτική αποτίμηση των τριών περιπτώσεων αναδεικνύει τον καθοριστικό ρόλο της παροχής καυσίμου στη διαμόρφωση του πεδίου ροής και παρέχει κρίσιμες ενδείξεις για τη βέλτιστη περιοχή λειτουργίας συστημάτων καύσης αμμωνίας-αέρα. | |
| dc.description.translatedabstract | This diploma thesis focuses on the computational investigation of the flow and mixing characteristics downstream of a conical bluff body, suitable for the stratified combustion of ammonia–air mixtures. The flow is stabilized within a recirculation zone formed downstream of the bluff body, aiming at the development of an efficient and environmentally friendly combustion system. The modeling of the specific configuration also serves as a preparatory stage for the future experimental design of ammonia–air combustion systems, through the initial understanding of the isothermal flow field and mixing mechanisms. The study begins with an analysis of the fundamental concepts of combustion and fuels, with particular emphasis on ammonia, highlighting both its advantages and the challenges associated with its use as an alternative carbon-free fuel. This is followed by an investigation of flame characteristics, the parameters affecting flame propagation speed, and the critical phenomena of blow-off and flashback. Furthermore, flow fields are examined, with special focus on turbulent flow, which plays a decisive role in the combustion process and the operation of the selected configuration. Particular emphasis is placed on the importance of bluff bodies for flame anchoring and control. For the purposes of this study, the commercial CFD software ANSYS Fluent was employed. Initially, the geometry of the configuration was designed, and, through the selection of an appropriate control volume and boundary conditions, different finite-volume meshes were generated. A grid independence study was subsequently conducted to ensure numerical accuracy and reliability of the results. Simulations of the isothermal flow field were then performed for three different fuel flow rates. The computations were carried out under steady-state conditions using the Realizable k–ε turbulence model, selected due to its improved prediction of turbulent stresses and its enhanced reliability in flows characterized by strong curvature, shear layers, and recirculation, features inherent to the present bluff body configuration. The analysis focused on the radial distributions of axial and radial velocities, turbulent kinetic energy, and equivalence ratio (Φ) downstream of the bluff body. Variations in both the structure and intensity of the recirculation zone were observed among the examined cases and are discussed in detail in the final chapter of the thesis. The comparative assessment of the three cases highlights the decisive role of fuel flow rate in shaping the flow field and provides critical insights into the optimal operating range of ammonia–air combustion systems. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/31650 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.rights | CC0 1.0 Universal | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ | |
| dc.subject | Καύση | |
| dc.subject | Αμμωνία | |
| dc.subject | Σταθεροποιητικά σώματα | |
| dc.subject | Υπολογιστική προσομοίωση | |
| dc.subject.alternative | Combustion | |
| dc.subject.alternative | Ammonia | |
| dc.subject.alternative | Bluff bodies | |
| dc.subject.alternative | Computational simulation | |
| dc.title | Παραμετρική υπολογιστική διερεύνηση των χαρακτηριστικών ροής και ανάμειξης κατάντη σταθεροποιητικού σώματος κατάλληλου για διαστρωματωμένη καύση μειγμάτων αμμωνίας-αέρα | |
| dc.title.alternative | Parametric computational investigation of the flow and mixing fields downstream of a bluff body configuration, suitable for stratified combustion of ammonia-air mixtures |