Αριθμητική προσομοίωση τυρβώδους διφασικής ροής αέρα-σταγονιδίων νερού σε κατακόρυφο σωλήνα

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη τυρβωδών διφασικών ροών, με έμφαση στο φαινόμενο της εναπόθεσης σωματιδίων. Για αυτό το λόγο πραγματοποιήθηκε παραμετρική μελέτη με χρήση άμεσης αριθμητικής προσομοίωσης (Direct Numerical Simulation - DNS) για τη συνεχή φάση με ταυτόχρονη παρακολούθηση των τροχιών των σωματιδίων με ένα σχήμα κατά Langrange. Ο στόχος της εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης της σύζευξης ορμής των δύο φάσεων πάνω στο φαινόμενο της εναπόθεσης των σωματιδίων στην πλήρως ανεπτυγμένη τυρβώδη ροή σε ένα κατακόρυφο σωλήνα. Ο αριθμός Reynolds που μελετήθηκε ήταν περίπου 180 με βάση την ταχύτητα τριβής και τη διάμετρο του σωλήνα. Τα σωματίδια που χρησιμοποιήθηκαν είχαν διάμετρο 0.01056 και χρόνο απόκρισης 200 σε μονάδες τοίχου. Η επίδραση των σωματιδίων πάνω στη συνεχή φάση έγινε με την προσέγγιση της σημειακής δύναμης, ενώ οι συγκρούσεις μεταξύ των σωματιδίων αγνοήθηκαν. Η παραμετρική μελέτη περιλαμβάνει την επίδραση της διαμέτρου, του κλάσματος όγκου των σωματιδίων και την επίδραση της βαρύτητας στην κίνησή τους. Τα αποτελέσματα της παρούσας Διπλωματικής εργασίας επιβεβαιώνουν τη γραμμική εξάρτηση του συντελεστή εναπόθεσης για μικρά κλάσματα όγκου σωματιδίων καθώς επίσης και την πειραματικά παρατηρούμενη μείωση της εναπόθεσης σε μεγάλα κλάσματα όγκου σωματιδίων. Οι υπολογισμοί χωρίς σύζευξη ορμής μεταξύ των δύο φάσεων αδυνατούν να προβλέψουν αυτή τη συμπεριφορά. Συνεπώς, στην παρούσα εργασία παρέχονται αποτελέσματα που συνδέουν αυτό το φαινόμενο και τις αλλαγές που προκαλούν τα σωματίδια στα τυρβώδη χαρακτηριστικά της ροής. Τα σωματίδια μειώνουν σημαντικά τις r.m.s. ταχύτητες της τυρβώδους ροής στο σωλήνα, γεγονός που μειώνει τη διασπορά των σωματιδίων και την ικανότητα της ροής να στέλνει τα σωματίδια προς τα τοιχώματα και κατά συνέπεια την εναπόθεση αυτών. Παράλληλα, παρατηρείται μείωση της τριβής στα τοιχώματα από την παρουσία των σωματιδίων στη ροή. Υπό την επίδραση της βαρύτητας παρατηρούνται γενικά ίδιες συμπεριφορές με αυτές που παρουσιάζονται με μηδενικό βαρυτικό πεδίο. Η χρήση σωματιδίων με μικρότερη διάμετρο έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του χρόνου απόκρισης άρα και της αδράνειάς τους και συνεπώς επηρεάζει περισσότερο τη ροή και την εναπόθεσή τους. Τέλος γίνονται προτάσεις για περαιτέρω μελλοντική έρευνα.