Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12808
Title: Σχεδιασμός και κατασκευή πειραματικής εγκατάστασης συστήματος διαχωρισμού διφασικής ροής αέρα-νερού : πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση
Other Titles: Design and construction of an experimental two-phase air-water separation system installation : experimental and computational investigation
Authors: Γκαναβίας, Κωνσταντίνος
Keywords: Σύστημα διαχωρισμού
Διφασική ροή
Keywords (translated): Separation system
Two-phase flow
Abstract: Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως αντικείμενο τη δισδιάστατη και τρισδιάστατη υπολογιστική 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 ήταν ο σχεδιασμός και η κατασκευή της πειραματικής εγκατάστασης του συστήματος διαχωρισμού και η εξαγωγή πειραματικών αποτελεσμάτων για γωνία κλίσης πλευρικού αγωγού 45°. Αρχικά, λόγω της πολυπλοκότητας του φαινομένου διαχωρισμού των φάσεων και των παραμέτρων που επηρεάζουν το φαινόμενο, μελετήθηκε σε θεωρητικό επίπεδο επιλεγμένη ελληνική και διεθνής βιβλιογραφία, συναφής με το συγκεκριμένο αντικείμενο. Στη συνέχεια, αφού προσδιορίστηκε θεωρητικά 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. Ύστερα, 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 για τα διάφορα ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε ο συνδυασμός τριών (3) διαφορετικών παροχών όγκου αέρα, υπό σταθερή παροχή όγκου νερού, μελετώντας τις αλλαγές που επιφέρουν οι διάφοροι συνδυασμοί αυτών στον βαθμό διαχωρισμού του μίγματος. Ειδικότερα, οι παροχές όγκου αέρα που μελετήθηκαν ήταν: α) 18 ΝL ⁄ min , β) 35 ΝL ⁄ min και γ) 154 ΝL ⁄ min και αντίστοιχα οι παροχές όγκου νερού που εξετάστηκαν ήταν: α) 16.67 L ⁄ min , β) 33.33 L ⁄ min και γ) 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 1200 mm, το μέγιστο συνολικό ύψος της 320 mm, ενώ ο αγωγός σε όλα τα σημεία του είχε διάμετρο 20 mm. 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. Η υπολογιστική προσομοίωση πραγματοποιήθηκε για δισδιάστατη γεωμετρία και πλέγμα για τις περιπτώσεις ογκομετρικής παροχής αέρα 18 ΝL ⁄ min , 35 ΝL ⁄ min και 154 ΝL ⁄ min , με σταθερή ογκομετρική παροχή νερού 50 L ⁄ min , και για γωνίες διακλάδωσης 30° και 90°, αντίστοιχα, και έπειτα οι βαθμοί διαχωρισμού που προέκυψαν σε κάθε περίπτωση συγκρίθηκαν μεταξύ τους ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για τη συσχέτιση του βαθμού διαχωρισμού με την ογκομετρική παροχή αέρα και νερού και τον προσανατολισμό της διακλάδωσης, αντίστοιχα. Ταυτόχρονα, υπολογίστηκαν οι τιμές του κλάσματος κενού, της ταχύτητας του μίγματος και της ολικής πίεσης στον αγωγό στις παραπάνω περιπτώσεις και συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των αποτελεσμάτων δισδιάστατης και τρισδιάστατης προσομοίωσης για την περίπτωση της μεγαλύτερης ογκομετρικής παροχής αέρα (154 NL/min) και νερού (50 L/min). Ακόμα, έγινε τρισδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση για τις περιπτώσεις ογκομετρικών παροχών νερού 16.67 L ⁄ min , 33.33 L ⁄ min και 50 L ⁄ min , υπό σταθερή ογκομετρική παροχή αέρα 35 Ν L ⁄ min , και για γωνία κλίσης πλευρικού αγωγού 45°, προκειμένου να ευρεθεί ο βαθμός διαχωρισμού και η τιμή του κλάσματος κενού. Επιπλέον, μελετήθηκε η πτώση πίεσης στην περιοχή της διακλάδωσης, αλλά και στο οριζόντιο τμήμα του αγωγού.Πέραν από την υπολογιστική προσομοίωση, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε η πειραματική εγκατάσταση για τη διερεύνηση του εν λόγω φαινομένου διαχωρισμού. Οι περιπτώσεις των ογκομετρικών παροχών αέρα που μετρήθηκαν ήταν: α) 22 ΝL ⁄ min , β) 35 ΝL ⁄ min και γ) 50 ΝL ⁄ min και αντίστοιχα οι ογκομετρικές παροχές νερού ήταν: α) 8.33 L ⁄ min , β) 16.67 L ⁄ min και γ) 33.33 L ⁄ min . Τα αποτελέσματα που εξήχθησαν κατέδειξαν τη δυσκολία πρόβλεψης της συμπεριφοράς του φαινομένου διαχωρισμού των φάσεων ενός μίγματος κατά τη μεταβολή των ογκομετρικών παροχών αυτού και της γωνίας κλίσης της διακλάδωσης τύπου Τ. 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, ενώ όσον αφορά την πειραματική διερεύνηση παρατηρήθηκε ότι ο βαθμός διαχωρισμού δεν επηρεάζεται αρκετά από την αύξηση της ογκομετρικής παροχής του νερού, υπό σταθερή ογκομετρική παροχή αέρα, συμπέρασμα στο οποίο οδήγησαν και τα υπολογιστικά αποτελέσματα. Τέλος, συμφωνία μεταξύ πειραματικών και υπολογιστικών αποτελεσμάτων παρατηρήθηκε και ως προς το μοτίβο ροής που εμφανιζόταν στον οριζόντιο αγωγό πριν τη διακλάδωση, το οποίο αντιστοιχούσε σε στρωματοποιημένη (Stratified Flow) ή κυματοειδή στρωματοποιημένη ροή (Wavy Stratified Flow), ενώ η απόκλιση πειραματικών και υπολογιστικών αποτελεσμάτων ήταν μικρότερη από 3%.
Abstract (translated): The objective of the present study was the two- and the tree-dimensional computational 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, aim of the present study was the design and the construction of an experimental apparatus and consequently the estimation of the separation efficiency achieved for a T-junction branch tilted at 45°. At first, due to the complexity of the phase separation phenomenon, the latter was thoroughly studied via appropriately selected scientific publications. Then, the flow pattern expected due to the incoming flow as well as the void fraction and the shear stress values were calculated to adequately construct the computational models and perform the computational analysis. More specific, three different air volumetric flow rates under a constant water volumetric flow rate were tested to study the effect on the separation efficiency. Especially, the examined air volumetric flow rates were equaled to: a) 18 L ⁄ min , b) 35 L ⁄ min , and c) 154 L ⁄ min , while the water volumetric flow rates were: a) 16.67 L ⁄ min , b) 33.33 L ⁄ min and c) 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 1200 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. The computational simulation was performed at a two-dimensional geometry for 18 ΝL ⁄ min , 35 ΝL ⁄ min and 154 ΝL ⁄ min volumetric air flow rates under a constant water volumetric flow rate of 50 L ⁄ min and for branch with an inclination angle of 30° and 90°, respectively, and then the resulting separation efficiency was compared in each case to draw conclusions about a correlation of the separation efficiency and incoming fluid flow conditions and/or branch orientations. At the same time, the values of the void fraction, velocity mixture and total pressure in the aforementioned cases were calculated and the extracted results were compared. In addition, both the two- and the three-dimensional computational results arose from the common test case simulated were compared. Furthermore, a three-dimensional computational analysis was performed for 16.67 L ⁄ min , 33.33 L ⁄ min and 50 L ⁄ min water volumetric flow rate under a constant air volumetric flow rate of 35 Ν L ⁄ min and for a branch tilted at 45° to calculate the separation efficiency and the void fraction. In addition, both in the area of the T-junction as well as at the main horizontal pipe the pressure drop were studied. Apart from the computational analysis, construction drawings were designed in the AutoCAD software the experimental facility was designed and constructed to investigate this separation phenomenon. The volumetric air flow rates tested were: a) 22 ΝL ⁄ min , b) 35 ΝL ⁄ min and c) 50 ΝL ⁄ min and the water volumetric flow rates were: a) 8.33 L ⁄ min , b) 16.67 L ⁄ min and c) 33.33 L ⁄ min . 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 better results in comparison with the two-dimensional one as expected though the latter could be the choice since it captures the trend of the extracted results. Regarding the experimental investigation results, it was observed that the separation efficiency was not significantly altered by increasing the water volumetric flow rate, under a constant air volumetric flow rate. The same behavior was observed from the computational results as well. Finally, a good agreement in terms of predicted flow pattern for the common test cases tested was achieved for the experimental and the computational study, while in general the discrepancies between experimental and computational results did not exceed 3%.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
DT_M_GKANAVIAS_KONSTANTINOS_246928.pdf4.37 MBAdobe PDFView/Open


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