Μοντελοποίηση της διεπιφανειακής διατμητικής τάσης κατά την οριζόντια διαστρωματωμένη ροή υγρού-αερίου

Abstract

Η διαστρωματωμένη ροή υγρού-αερίου σε οριζόντιους ή σχεδόν οριζόντιους αγωγούς συναντάται σε αρκετές Βιομηχανικές εφαρμογές (συμπυκνωτές, εξατμιστήρες, μεταφορά πετρελαίου, φυσικού αερίου και γεωθερμικών ρευστών). Επιπλέον, η διαστρωματωμένη ροή αποτελεί συνήθως τη Βάση εκκίνησης για τη θεωρητική προσέγγιση της δημιουργίας διαλείπουσας ροής (slug flow). Αν και τα τελευταία 20 χρόνια έχει πραγματοποιηθεί εκτενής (πειραματική και υπολογιστική) μελέτη της διφασικής ροής, τα μοντέλα που έχουν προταθεί για τον υπολογισμό της πτώσης πίεσης, αλλά και της συγκράτησης της υγρής φάσης δεν είναι πάντα αξιόπιστα, ιδιαίτερα όταν αλλάζουν σημαντικά οι συνθήκες λειτουργίας, οι ιδιότητες των ρευστών και η διάμετρος του αγωγού. Η γνώση του καθεστώτος (ή των υποκαθεστώτων) ροής που επικρατεί παίζει καθοριστικό ρόλο στη μελέτη της διφασικής ροής και κυρίως στον υπολογισμό των χαρακτηριστικών της. Η ύπαρξη κυμάτων στη διεπιφάνεια αυξάνει σημαντικά το διεπιφανειακό συντελεστή τριβής με αποτέλεσμα την αύξηση της πτώσης πίεσης και τη μείωση της συγκράτησης. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η Βελτίωση του μοντέλου που προτάθηκε από τους Andritsos 6t Hanratty (1987). Σε αυτό το μοντέλο αναγνωρίζεται η σημαντική επίδραση των κυμάτων στα χαρακτηριστικά της ροής και προτείνονται δύο διαφορετικοί συσχετισμοί του διεπιφανειακού συντελεστή τριβής όταν η φαινομενική ταχύτητα της αέριας φάσης (σε ατμοσφαιρικές συνθήκες) είναι μεγαλύτερη από 5 m/s. Στην παρούσα εργασία προτείνονται διαφορετικοί συσχετισμοί του διεπιφανειακού συντελεστή τριβής για τα τρία υποκαθεστώτα της διαστρωματωμένης ροής που αναγνωρίζονται, δηλ. τη λεία διαστρωματωμένη ροή, τη ροή με δισδιάστατα κύματα και τη ροή με κύματα μεγάλου μήκους και πλάτους ή κύματα τύπου Kelvin-Helmholtz. Στην εργασία προτείνονται επίσης ημι-θεωρητικές σχέσεις για τις δύο μεταπτώσεις, από τη λεία διαστρωματωμένη ροή στη ροή με διδιάστατα κύματα, και από την τελευταία στη ροή με κύματα τύπου Kelvin-Helmholtz. Τόσο οι εξισώσεις που περιγράφουν την μετάπτωση στα υποκαθεστώτα της διαστρωματωμένης περιοχής, όσο και οι εξισώσεις που προτείνονται για τον υπολογισμό του διεπιφανειακού συντελεστή τριβής έρχονται σε συμφωνία με πολλά πειραματικά δεδομένα που είναι διαθέσιμα στη Βιβλιογραφία.