Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12656
Title: Συγκριτική αξιολόγηση δισδιάστατης και τρισδιάστατης αριθμητικής προσομοίωσης διφασικής ροής αέρα-νερού σε σύστημα κυκλικών αγωγών μικρής διαμέτρου με ενσωματωμένη διακλάδωση τύπου Τ : προκαταρκτικός σχεδιασμός πειραματικής εγκατάστασης συστήματος διαχωρισμού με διακλάδωση τύπου Τ και επιλογή κατάλληλου μετρητικού εξοπλισμού
Other Titles: Comparative analysis of two- and three-dimensional computational investigation of an air-water flowing through a separation system consisted of a T-junction branch : preliminary design of the experimental apparatus and selection of appropriate flow instrumentation
Authors: Πολυχρόνοπουλος, Ευάγγελος
Keywords: Διακλάδωση τύπου Τ
Διαχωρισμός φάσεων
Διφασική ροή αέρα-νερού
Υπολογιστική ρευστοδυναμική
Keywords (translated): T-junction branch
Phase separation
Two-phase flow
Air-water mixture
Computational fluid dynamics (CFD)
Abstract: Η παρούσα εργασία είχε ως αντικείμενο ενασχόλησης τη δισδιάστατη και τρισδιάστατη διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού διαχωρισμού διφασικής ροής αέρα-νερού όταν αυτή συναντά διακλάδωση τύπου Τ με προσανατολισμό 30°, 45° και 90°, αντίστοιχα, για διαφορετικά ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού. Επιπλέον, στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν και η σύγκριση των αποτελεσμάτων δισδιάστατης και τρισδιάστατης επίλυσης του φαινομένου διαχωρισμού και της εκτίμησης του ποσοστού συμπαράσυρσης της υγρής φάσης του μίγματος (νερού), για τα ζεύγη των εξεταζόμενων ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού σε γωνίες διακλάδωσης 30° και 45°, ενώ πραγματοποιήθηκε, επίσης, προκαταρκτικός σχεδιασμός της πειραματικής εγκατάστασης του συστήματος διαχωρισμού και επιλογή κατάλληλου μετρητικού εξοπλισμού. Αρχικά, καθώς το φαινόμενο διαχωρισμού των φάσεων και των παραμέτρων που επηρεάζουν το εν λόγω φαινόμενο είναι περίπλοκο, μελετήθηκε σε θεωρητικό επίπεδο επιλεγμένη ελληνική και διεθνής βιβλιογραφία, συναφής με το αντικείμενο. Ακολούθως, αφού προσδιορίστηκε ο τύπος ροής που αναμενόταν στον αγωγό, βάσει των συνθηκών ροής, υπολογίστηκαν το κλάσμα κενού, η διατμητική τάση τοιχώματος, καθώς και τα απαραίτητα στοιχεία για την υπολογιστική διερεύνηση του προβλήματος, όπως το ύψος του πρώτου υπολογιστικού κελιού. Τέλος, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ANSYS για τον σχεδιασμό του αγωγού και τη δημιουργία του υπολογιστικού πλέγματος και στη συνέχεια ο κώδικας Fluent για την επίλυση και την εύρεση τελικά της μεταβολής του βαθμού διαχωρισμού σε σχέση με τις ογκομετρικές παροχές αέρα και νερού. Συγκεκριμένα μελετήθηκε ο συνδυασμός τεσσάρων (4) διαφορετικών παροχών όγκου αέρα, υπό σταθερή παροχή όγκου νερού, μελετώντας τις αλλαγές που επιφέρει η αύξηση της ογκομετρικής παροχής του αέρα και ο προσανατολισμός της διακλάδωσης τύπου Τ στον παρατηρούμενο βαθμό διαχωρισμού του μίγματος. Ειδικότερα, οι παροχές όγκου αέρα που μελετήθηκαν ήταν: α) 20 L ⁄ min , β) 40 L ⁄ min , γ) 50 L ⁄ min και δ) 100 L ⁄ min και αντίστοιχα η παροχή όγκου νερού που εξετάστηκε ήταν: 50 L ⁄ min . Το μοντέλο που σχεδιάστηκε στο λογισμικό ANSYS αποτελούταν από έναν οριζόντιο αγωγό για την είσοδο του νερού, έναν αγωγό υπό κλίση 45 ο ως προς τον οριζόντιο αγωγό για την είσοδο του αέρα, τον οριζόντιο κύριο αγωγό της διάταξης διαχωρισμού μήκους 700 mm, τη διακλάδωση τύπου Τ σε 30 ◦ , 45 ◦ και 90 ◦ , με κλάδο μήκους 300 mm και τέλος τον οριζόντιο αγωγό εξόδου μήκους 300 mm. Το συνολικό μήκος της διάταξης ήταν 1210 mm, το μέγιστο συνολικό ύψος της 320 mm, ενώ ο αγωγός σε όλα τα σημεία του είχε διάμετρο 20 mm. Η υπολογιστική προσομοίωση πραγματοποιήθηκε για δισδιάστατη γεωμετρία και πλέγμα για τις περιπτώσεις ογκομετρικής παροχής αέρα 20 L ⁄ min και 100 L ⁄ min , με ογκομετρική παροχή νερού 50 L ⁄ min και για γωνίες διακλάδωσης 30°, 45° και 90°, αντίστοιχα, ενώ οι ίδιες περιπτώσεις ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού προσομοιώθηκαν και σε τρισδιάστατη κλίμακα για γωνίες διακλάδωσης 30° και 45°, ώστε να γίνει σύγκριση με τον αντίστοιχο βαθμό διαχωρισμού και το αντίστοιχο ποσοστό συμπαράσυρσης υγρής φάσης των δύο διαστάσεων. Ακόμα, έγινε τρισδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση για ογκομετρική παροχή αέρα 40 L ⁄ min και 50 L ⁄ min , για σταθερή ογκομετρική παροχή νερού 50 L ⁄ min , υπό γωνίες διακλάδωσης 30° και 45°, για να εξαχθεί η μεταβολή του βαθμού διαχωρισμού και του ποσοστού συμπαράσυρσης υγρής φάσης συναρτήσει της ογκομετρικής παροχής αέρα υπό συγκεκριμένη παροχή νερού. Στην αριθμητική επίλυση επιλέχθηκε το πολυφασικό μοντέλο Volume Of Fluid (VOF) για την περιγραφή της ελεύθερης επιφάνειας των δύο φάσεων και το μοντέλο Realizable k-ε για το «κλείσιμο» της τύρβης. Πέρα από την υπολογιστική προσομοίωση που διεξήχθη μέσω του λογισμικού ANSYS, σχεδιάστηκαν τα κατασκευαστικά σχέδια των επιμέρους εξαρτημάτων της πειραματικής εγκατάστασης στο λογισμικό AutoCAD και έγινε η επιλογή των μετρητικών οργάνων που θα χρησιμοποιηθούν στην πειραματική διερεύνηση του εν λόγω φαινομένου διαχωρισμού. Τα αποτελέσματα που εξήχθησαν κατέδειξαν τη δυσκολία πρόβλεψης της συμπεριφοράς του φαινομένου διαχωρισμού των φάσεων ενός μίγματος κατά τη μεταβολή των ογκομετρικών παροχών αυτού. Ακόμη, η τρισδιάστατη προσομοίωση οδήγησε σε πιο ακριβή αποτελέσματα, συγκριτικά με τη δισδιάστατη, ωστόσο η τελευταία φάνηκε ικανή να προβλέπει την τάση των αποτελεσμάτων αναφορικά με τον «βέλτιστο», ως προς τον βαθμό διαχωρισμού που επιτυγχάνει, προσανατολισμό της διακλάδωσης τύπου Τ.
Abstract (translated): The objective of the present study was the two-dimensional investigation of the separation efficiency occurred for an air-water two-phase flow, when the latter passes through a T- junction branch tilted at 30°, 45° and 90° and for various air and water volumetric flow rates. Moreover, other aim of the present study was the comparative analysis of the two- and three- dimensional computational results extracted from simulating the same inflow conditions for the branch that was tilted at 30° and 45°, respectively. Furthermore, the three- dimensional computational campaign studied the effect of increasing air volumetric flow rate, under a constant water volumetric flow rate of 50 L ⁄ min , to the separation efficiency as well as to the water carryover at the T-junction angles mentioned previously. Finally, preliminary design of the experimental apparatus and selection of appropriate flow instrumentation were carried out. Firstly, due to the complexity of the phase separation phenomenon, the latter was thoroughly studied via appropriately selected common works in literature. Then, the flow pattern expected due to the incoming mixture flow as well as the void fraction and the shear stress were calculated to adequately construct the computational models and perform the computational analysis. More specific, four different air volumetric flow rates under a constant water volumetric flow rate were tested to study the effect on the separation efficiency and the influence that the inclined T-junction branch had. Especially, the examined air volumetric flow rates were equaled to: a) 20 L ⁄ min , b) 40 L ⁄ min , c) 50 L ⁄ min and d) 100 L ⁄ min , while the corresponding water volumetric flow rate was: 50 L ⁄ min . The computational model designed in ANSYS software was consisted of an horizontal pipe ensuring the water inlet, an inclined one (tilted at 45° with respect to the horizontal pipe) ensuring the air inlet, a main horizontal pipe having a length of 700 mm, the T-junction branch having a length of 300 mm and tilted at 30°, 45° and 90°, and finally the horizontal outlet consisting of a pipe of 300 mm. The overall length of the computational model created was 1210 mm, its overall height was 320 mm, while the pipes had a diameter of 20 mm. As far as the numerical schemes chosen, the Volume Of Fluid (VOF) was utilized as the multiphase model and the Realizable k – ε model was set for the closure of turbulence. Apart from the computational analysis, construction drawings for each of the experimental apparatus components were designed in the AutoCAD software, whilst the flow instrumentation needed to perform the forthcoming experimental investigation of the separation phenomenon was chosen as well. The results of the present study have shown the challenges occurred in predicting the behavior of separation efficiency phenomenon for different inflow conditions applied. Also, the three- dimensional computational investigation ensured as expected more accurate results in comparison with the two- dimensional one though the latter could be the choice since it captures the trend of the extracted results.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
DT_POLYCHRONOPOULOS_EVANGELOS_247028.pdf3.66 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.