Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/13742
Title: Αριθμητική προσομοίωση διφασικής ροής αέρα - νερού σε αγωγό μικρής διαμέτρου με διακλάδωση τύπου Τ και κλίση πλευρικού αγωγού 30 μοιρών
Other Titles: Numerical simulation of an air - water mixture flowing through small diameter pipes and a T - junction branch tilted at 30 degrees
Authors: Γκλαβάς, Χρήστος
Keywords: Διακλάδωση τύπου Τ
Διφασική ροή αέρα - νερού
Βαθμός διαχωρισμού
Πτώση πίεσης
Keywords (translated): T - junction branch
Two phase air - water flow
Separation efficiency
Pressure drop
Abstract: Στην διπλωματική εργασία που θα παρουσιαστεί στην συνέχεια μελετήθηκε ο φυσικός διαχωρισμός διφασικής ροής αέρα – νερού σε διακλάδωση τύπου Τ με κλίση πλευρικού αγωγού 30° σε τρισδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε η μεταβολή του βαθμού διαχωρισμού για εννέα ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα – νερού. Επιπλέον, μελετήθηκε η πτώση πίεσης κατά μήκος του οριζόντιου αγωγού για τα ίδια εννέα ζεύγη ογκομετρικών παροχών και στην συνέχεια συγκρίθηκε με την προβλεπόμενη πτώση πίεσης από τρία θεωρητικά μοντέλα (Ομογενούς Ροής, Chisholm και Friedel). Τέλος, συγκρίθηκε το προβλεπόμενο από τον ροϊκό χάρτη του Baker μοτίβο ροής που θα αναπτυχθεί εντός του αγωγού με το μοτίβο ροής που αναπτύχθηκε στην υπολογιστική προσομοίωση και εξήχθησαν συμπεράσματα για τις διαφορές τους. Για να επιτευχθεί μια υπολογιστική προσομοίωση με ορθά αποτελέσματα, αρχικά μελετήθηκε ελληνική και διεθνής βιβλιογραφία σε θεωρητικό επίπεδο, με απώτερο σκοπό την εξοικείωση με το φαινόμενο του διαχωρισμού και το πλήθος των παραγόντων που το επηρεάζουν. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, αρχικά παρουσιάζεται αναλυτικά η θεωρητική γνώση που απαιτείται για την σφαιρική κατανόηση του φαινομένου, δηλαδή αναλύονται οι πολυφασικές και τυρβώδεις ροές καθώς και οι διακλαδώσεις τύπου Τ. Επιπλέον, παρουσιάζονται λεπτομερώς τα θεωρητικά μοντέλα υπολογισμού της διατμητικής τάσης στο τοίχωμα του αγωγού, του κλάσματος κενού και του μήκους του αγωγού εισόδου του διαχωριστή που χρησιμοποιήθηκαν για την εύρεση τιμών απαραίτητων στην υπολογιστική διαδικασία. Επίσης, παρουσιάστηκαν τα τρία θεωρητικά μοντέλα υπολογισμού της πτώσης πίεσης, τα αποτελέσματα των οποίων συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα των υπολογιστικών προσομοιώσεων. Για την υπολογιστική προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ANSYS με χρήση των επιμέρους τμημάτων του. Για την δημιουργία της γεωμετρίας χρησιμοποιήθηκε η εφαρμογή Design Modeler, ενώ για την δημιουργία του υπολογιστικού πλέγματος η εφαρμογή Ansys Meshing, στις οποίες ήταν απαραίτητο το θεωρητικά υπολογισμένο μήκος του αγωγού εισόδου του διαχωριστή καθώς και η θεωρητικά υπολογισμένη διατμητική τάση στο τοίχωμα για την εύρεση του ύψους του 1ου υπολογιστικού κελιού από το τοίχωμα του αγωγού αντίστοιχα. Για την επίλυση των υπολογιστικών προσομοιώσεων και την εξαγωγή αριθμητικών και οπτικών αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκε ο κώδικας Fluent, αφού ρυθμίστηκαν κατάλληλα όλες οι συνθήκες και οι παράμετροι της προσομοίωσης. Η γεωμετρία που σχεδιάστηκε αποτελείται εξ ολοκλήρου από αγωγούς διαμέτρων 20 mm. Πιο συγκεκριμένα, αποτελείται από τον οριζόντιο αγωγό προσαγωγής νερού και τον υπό κλίση 45° αγωγό προσαγωγής αέρα μήκους 50 mm. Εν συνεχεία υπάρχει το τμήμα μίξης των δύο φάσεων μήκους 20 mm και ο αγωγός εισόδου του διαχωριστή μήκους 700 mm, ο οποίος οδηγεί στον πλευρικό αγωγό κλίσης 30° και μήκους 300 mm και στον κεντρικό αγωγό εξόδου μήκους 300 mm. Τελικά, η διάταξη έχει συνολικό μήκος 1,070 mm και ύψος 170 mm. Όπως προαναφέρθηκε, μελετήθηκαν εννέα ζεύγη ογκομετρικών παροχών αέρα – νερού, τα οποία προκύπτουν από τρεις παροχές αέρα και τρεις παροχές νερού. Οι παροχές του αέρα που χρησιμοποιήθηκαν είναι: Q_a1=69 ΝL⁄min,Q_a2=85 NL⁄min και Q_a3=154 NL⁄min, ενώ οι τρεις παροχές του νερού είναι: Q_w1=17 L⁄min,Q_w2=33 L⁄min και Q_w3=50 L⁄min. Οι εννέα συνδυασμοί που προκύπτουν από τις παροχές αυτές χρησιμοποιήθηκαν για την τρισδιάστατη προσομοίωση της διφασικής ροής και την μελέτη της μεταβολής του βαθμού διαχωρισμού και της πτώσης πίεσης στην διάταξη διαχωρισμού με πλευρικό αγωγό κλίσης 30°. Αναλυτικότερα, τα αποτελέσματα σε κάθε περίπτωση παρουσιάστηκαν αρχικά ως προς «σταθερή παροχή αέρα» και στην συνέχεια ως προς «σταθερή παροχή νερού», δηλαδή η παρουσίαση έγινε με κατάλληλο τρόπο ώστε να γίνεται εμφανές το αποτέλεσμα που έχει η αύξηση της παροχής του νερού και η αύξηση παροχής του αέρα στον βαθμό διαχωρισμού και την πτώση πίεσης. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την μελέτη των αποτελεσμάτων των τρισδιάστατων υπολογιστικών προσομοιώσεων, καταδεικνύουν την δυσκολία πρόβλεψης της συμπεριφοράς μιας διφασικής ροής αέρα – νερού όταν μεταβάλλονται οι παροχές των δύο φάσεων. Ο βαθμός διαχωρισμού του διφασικού μίγματος και η πτώση πίεσης κατά μήκος του αγωγού δεν εμφάνισαν σταθερό τρόπο μεταβολής των τιμών τους. Υπάρχουν δηλαδή περιπτώσεις και για τα δύο υπό εξέταση μεγέθη όπου η μεταβολή μιας εκ των δύο ογκομετρικών παροχών των φάσεων μπορεί να οδηγήσει είτε σε μείωση είτε σε αύξηση της τιμής τους, γεγονός αδύνατο να προβλεφθεί εκ των προτέρων χωρίς την πραγματοποίηση υπολογιστικής προσομοίωσης.
Abstract (translated): The objective studied in the dissertation that will be presented, is the natural separation of two-phase air-water flow in a T – junction branch tilted at 30° in a three-dimensional computational simulation. More specifically, the change in separation efficiency was studied for nine pairs of air – water volumetric flow rates. In addition, the pressure drop along the horizontal pipeline for the same nine pairs of volumetric flow rates was studied and then compared with the projected pressure drop from three theoretical models (Homogenous Flow, Chisholm and Friedel). Finally, a comparison of the flow pattern predicted by Baker's flow chart was compared with the flow pattern developed in the computational simulation and conclusions were drawn about their differences. To achieve a computational simulation with correct results, Greek and international bibliography was initially studied at a theoretical level, with the goal of familiarizing oneself with the phenomenon of separation and the multitude of factors that affect it. In the present dissertation, the theoretical knowledge required for a comprehensive understanding of the phenomenon is first presented in detail, thus the multiphase and turbulent flows are analyzed as well as the T – junction separators. In addition, the theoretical models used to find necessary values for the computational process such as the shear stress on the wall of the duct, the void fraction and the length of the inlet pipe of the separator, are presented in detail. Also, the three theoretical models for calculating the pressure drop are presented, the results of which are compared with the results of the computational simulations. ANSYS software was used for the computational simulations using its individual applications. The Design Modeler application was used to create the geometry, while the Ansys Meshing application was used to create the computational grid, which required respectively the theoretically calculated length of the separator inlet pipe as well as the theoretically calculated shear stress on the wall to find the height of the 1st computational cell from the wall of the duct. ANSYS Fluent was used to solve the computational simulations and to derive arithmetic and visual results, after each of the simulation conditions and parameters were properly adjusted. The designed geometry consists entirely of 20 mm diameter pipes. More specifically, it consists of the horizontal water inlet pipe and the air inlet pipe tilted at 45° angle with respect to the horizontal pipe, both being 50 mm long. Then there is the 20 mm long two-phase mixing section and the 700 mm long separator inlet duct, which leads to the 30° tilted and 300 mm long T – junction branch pipe and the 300 mm long horizontal outlet pipe. Finally, the device has a total length of 1,070 mm and a height of 170 mm. As mentioned above, nine pairs of air – water volumetric flow rates were studied, resulting from three air and three water flow rates. The air volumetric flow rates used are: Q_a1=69 ΝL⁄min,Q_a2=85 NL⁄min και Q_a3=154 NL⁄min, while the three water volumetric flow rates are: Q_w1=17 L⁄min,Q_w2=33 L⁄min και Q_w3=50 L⁄min. The nine combinations resulting from these flow rates were used to simulate the three – dimensional two – phase flow and study the change in the separation efficiency and the pressure drop in the separation system consisted of a 30° T – junction branch. More specifically, the results in each case were first presented in terms of "constant air flow rate" and then in terms of "constant water flow rate", i.e. the presentation was made in an appropriate way to make clear the result of the increase in water supply and increase in air supply to the separation efficiency and pressure drop. The conclusions that emerged from studying the results of three – dimensional computational simulations show the difficulty of predicting the behavior of a two – phase air – water flow when the flow rates of the two phases are altered. The separation efficiency of the two – phase mixture and the pressure drop along the pipeline did not exhibit a consistent way of changing their value. In other words, there are cases for both the separation efficiency and the pressure drop where an alteration in one of the two volumetric flow rates of the phases can lead to either a decrease or an increase in their value, which is impossible to predict in advance without the need of a computational simulation.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
DT_Μ_GKLAVAS_CHRISTOS_246930.pdf3.1 MBAdobe PDFView/Open


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