Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12910
Title: Υπολογιστική διερεύνηση μεταβολής βαθμού διαχωρισμού και εξάρτησης από το μοντέλο τύρβης για διφασική ροή αέρα-νερού σε αγωγό μικρής διαμέτρου : σύγκριση της πτώσης πίεσης θεωρητικά και υπολογιστικά
Other Titles: Computational investigation of the separation efficiency and the dependence of the applied turbulence model of an air-water two-phase flow : comparison of the theoretically and computationally predicted pressure drop
Authors: Γιαννακόπουλος, Αντώνιος Νεκτάριος
Keywords: Διακλάδωση τύπου Τ
Διαχωρισμός φάσεων
Διφασική ροή αέρα-νερού
Πτώση πίεσης
Keywords (translated): Τ-junction
Phase separation
Air-water two-phase flow
Pressure drop
Abstract: Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτέλεσε η δισδιάστατη και τρισδιάστατη υπολογιστική διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού διαχωρισμού και της εξάρτησης από το μοντέλο τύρβης για διφασική ροή αέρα-νερού σε αγωγό μικρής διαμέτρου, με διακλάδωση τύπου Τ, για διαφορετικά ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού. Επιπροσθέτως, αντικείμενο μελέτης υπήρξε ο θεωρητικός και υπολογιστικός προσδιορισμός των τιμών της πτώσης πίεσης τόσο στον οριζόντιο κύριο αγωγό της διάταξης διαχωρισμού, όσο και στην περιοχή της διακλάδωσης τύπου Τ, για όλα τα εξεταζόμενη ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα και νερού και για γωνία διακλάδωσης 30°, ενώ τα εξαγόμενα θεωρητικά και υπολογιστικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν μεταξύ τους. Αρχικά, επιλέχθηκε και μελετήθηκε βιβλιογραφία συναφής με το φαινόμενο διαχωρισμού των φάσεων ενός πολυφασικού μίγματος και το φαινόμενο της πτώσης πίεσης, καθώς τα εν λόγω φαινόμενα και οι παράμετροι που τα επηρεάζουν χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερη πολυπλοκότητα. Έπειτα, προσδιορίστηκε ο θεωρητικά αναμενόμενος τύπος ροής στον αγωγό για τις εφαρμοζόμενες ροϊκές συνθήκες, ενώ υπολογίστηκαν θεωρητικά σημαντικά μεγέθη που καθορίζουν τη διφασική ροή όπως το κλάσμα κενού και η διατμητική τάση τοιχώματος, καθώς και οποιοδήποτε άλλο μέγεθος κρίθηκε απαραίτητο για την υπολογιστική διερεύνηση και την ορθή επίλυση του προβλήματος, όπως το ύψος του πρώτου υπολογιστικού κελιού και το μήκος του αγωγού εισόδου. Στη συνέχεια, έγινε χρήση του εμπορικού λογισμικού ANSYS και σχεδιάστηκαν η γεωμετρία και το υπολογιστικό πλέγμα για τη δισδιάστατη και την τρισδιάστατη υπολογιστική διερεύνηση, η οποία διεξήχθη στο ANSYS Fluent. Για κάθε αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας χρησιμοποιήθηκαν συγκεκριμένοι συνδυασμοί παροχών όγκου αέρα νερού . Πιο αναλυτικά, για τις περιπτώσεις που αφορούσαν την επίδραση του μοντέλου τύρβης μελετήθηκε ο συνδυασμός των μέγιστων ογκομετρικών παροχών αέρα, 155 NL/min, και νερού, 50 L/min, αντίστοιχα, ενώ η διακλάδωση τύπου Τ είχε κατακόρυφο προσανατολισμό. Η εν λόγω μελέτη πραγματοποιήθηκε τόσο σε δισδιάστατη, όσο και σε τρισδιάστατη γεωμετρία και πλέγμα. Στη συνέχεια, για την εύρεση του βαθμού διαχωρισμού και του τρόπου που αυτός μεταβαλλόταν για αύξηση της ογκομετρικής παροχής νερού, πραγματοποιήθηκε δισδιάστατη προσομοίωση και μελετήθηκαν τρεις (3) παροχές όγκου νερού, 8.33 L/min, 33.33 L/min, και 50 L/min, για σταθερή παροχή όγκου αέρα, 155 NL/min , και δύο (2) προσανατολισμούς διακλάδωσης τύπου Τ, 30° και 45°. Έπειτα, για την εύρεση της πτώση πίεσης μελετήθηκαν σε τρισδιάστατο υπολογιστικό μοντέλο και για γωνία διακλάδωσης 30° πέντε (5) ζεύγη παροχών όγκου αέρα και νερού, όπου, όπως και πριν, η παροχή όγκου νερού διατηρούταν σταθερή και ίση με 50 L/min, ενώ οι παροχές όγκου αέρα ήταν: α)18 NL/min, β)36 NL/min, γ)70 NL/min, δ)85 NL/min και ε)155 NL/min. Πέραν της υπολογιστικής διερεύνησης, πραγματοποιήθηκε και θεωρητικός υπολογισμός της πτώσης πίεσης για τα ανωτέρω ζεύγη παροχών, χρησιμοποιώντας τα εξής θεωρητικά μοντέλα: α) Ομογενές Μοντέλο, β) Lockhart-Martinelli και γ) Beggs – Brill . Τα δισδιάστατα και τρισδιάστατα υπολογιστικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν στο πλαίσιο της υπολογιστικής διερεύνησης σχεδιάστηκαν με τη βοήθεια του λογισμικού ANSYS, και αποτελούνταν από έναν οριζόντιο αγωγό για την είσοδο του νερού, έναν αγωγό για την είσοδο του αέρα με κλίση 45° ως προς τον οριζόντιο αγωγό, τον οριζόντιο κύριο αγωγό μήκους 700 mm, τη διακλάδωση τύπου Τ, με κλάδο μήκους 300 mm και προσανατολισμό 30°, 45° και 90° γωνία ανάλογα την εξεταζόμενη περίπτωση, και, τέλος, από τον οριζόντιο αγωγό εξόδου μήκους 300 mm. Το συνολικό μήκος της διάταξης ήταν 1210 mm και η διάμετρος του αγωγού ήταν σταθερή σε όλα τα σημεία του με τιμή 20 mm. Από τα αποτελέσματα της υπολογιστικής διερεύνησης, όσον αφορά την επίδραση του μοντέλου τύρβης, ως καταλληλότερο, τόσο για τη δισδιάστατη, όσο και για την τρισδιάστατη κλίμακα μελέτης, κρίθηκε το Realizable k-ε μοντέλο με την επιλογή SWF (Standard Wall Functions). Επιπλέον, παρατηρήθηκε ότι η τιμή του βαθμού διαχωρισμού για τις εξεταζόμενες ροϊκές συνθήκες, τόσο για γωνία πλευρικού αγωγού 30°, όσο και για γωνία 45°, μειωνόταν με αύξηση της ογκομετρικής παροχής του νερού, ενώ η γεωμετρία με κλίση αγωγού διακλάδωσης 30° εμφάνιζε ελαφρά υψηλότερες τιμές έναντι αυτής των 45°. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί η σημαντική απόκλιση που παρουσιάστηκε στις προβλέψεις των τιμών της βαθμίδας πίεσης για τα διαφορετικά θεωρητικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν, με τις προβλέψεις του Ομογενούς μοντέλου και του μοντέλου Lockhart-Martinelli να παρουσιάζουν σύμπτωση μεταξύ τους, αλλά να βρίσκονται αρκετά μακριά από τις αντίστοιχες του μοντέλου Beggs-Brill, οι οποίες παρουσίασαν σχετικά ικανοποιητική ταύτιση με τις τιμές που προβλέφθηκαν από το υπολογιστικό μοντέλο.
Abstract (translated): The objective of the current diploma thesis was the two- and the three-dimensional computational investigation of the separation efficiency and its dependence of the applied turbulence model for an air-water two-phase flow occuring in a small diameter pipeline system with an embedded T-junction branch, and for various air and water volumetric flow rates. In addition, aim of the present work was also both the theoretical and the computational study of the pressure drop magnitude obtained for various air and water volumetric flow rates and for a tilted T-junction branch at 30°. Initially, a literature to the phase separation phenomenon and pressure drop phenomenon was selected and studied, as these phenomena and the parameters that affect them are characterized by complexity. Then, the theoretically expected flow type in the conduit was determined for the applied flow conditions, while theoretically significant quantities determining the two-phase flow such as void fraction and wall shear stress were calculated, as well as any other size deemed necessary for the computational diagrams and the problem solving, such as the height of the first cell and the length of the input duct. Subsequently, the commercial software ANSYS was used, and the geometry and the computational mesh were designed for two-dimensional and three-dimensional computations, which were performed in ANSYS Fluent. Specific combinations of water air volume supplies were used for each subject of this thesis. In more detail, for the case of the impact of turbulence model, the combination of maximum volumetric air flow rates of 100 L/min or 155 NL/min and water 50 L/min , respectively, was studied, while the T-branch was oriented vertically. This study was carried out in both two-dimensional and three-dimensional geometry and computational mesh. Then, to find the separation efficiency and the way it changed to increase the volumetric flow of water, two-dimensional simulation was performed and three (3) volumetric flows of water, 8.33 L/min , 33.33 L/min and 50 L/min for constant air volumetric flow rate 155 NL/min , and two (2) T-junctions at 30° and 45° angles orientation. Then, to find the pressure drop, five (5) pairs of water-air volume flow rates at 30° branch angle orientation were studied in a three-dimensional computational model, where, as before, the water volume flow was kept constant equal to 50 L/min, while the volumetric flow of air was given values ​​of (a) 18 NL/min, (b) 36 NL/min, (c) 70 NL/min, d) 85 NL/min and e) 155 NL/min. In addition to the computational investigation, a theoretical calculation of the pressure drop for the above benefit pairs was performed, using the following theoretical models: a) Homogeneous Model, b) Lockhart-Martinelli and c) Beggs - Brill. The two-dimensional and three-dimensional computational models used in the computational framework were designed with the help of ANSYS software, and consisted of a horizontal conduit for water inlet, a conduit for 45° inclination to the horizontal conduit. , the 700 mm horizontal main conduit, the T-junction, with a 300 mm branch and 30°, 45° and 90° inclination angles depending on the case in question, and finally the 300 mm horizontal output conduit. The total length of the assembly was 1210 mm and the diameter of the conduit was fixed at all points with a value of 20 mm. From the results of the computational investigation of the effect of the turbulence model as the most appropriate for both the two-dimensional and three-dimensional study scales, the Realizable k-e model with SWF (Standard Wall Functions) was considered. In addition, it was observed that the value of the degree of separation for the underlying flow conditions, both for 30° inclination angle and 45 ° inclination angle, decreased with increasing volumetric flow of water, while the 30° inclination angle geometry showed a slight decrease. higher than 45° inclination angle case. Finally, it is worth noting the significant divergence in the pressure gradient estimated values for the different theoretical models used, with the predictions of the Homogeneous and Lockhart-Martinelli models coinciding, but being far enough from those of the Beggs-Brill model, which showed a relatively good match with the values ​​predicted by the computational model.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
DT_Μ_GIANNAKOPOULOS_ANTONIOS_NEKTARIOS_246926.pdf4.53 MBAdobe PDFView/Open


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