Υπολογιστική ανάλυση μονοφασικής και διφασικής ροής νερού-αέρα σε ακτινικές πτερωτές αντλιών
Authors: Μέντζος Μιχαήλ 
Published: September 2021

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η υπολογιστική ανάλυση και διερεύνηση ροών καθαρού νερού και διφασικών ροών μιγμάτων νερού-αέρα σε μονοβάθμιες πτερωτές ακτινικής ροής. Για τις προσομοιώσεις επιλέχθηκαν μια βιομηχανική αντλία, μια πειραματική αντλία και τριάδες πτερωτών για κάθε μια από τέσσερεις ιδεατές αντλίες προκειμένου να μελετηθούν οι επιδράσεις γεωμετρικών παραμέτρων των πτερωτών στο πεδίο ροής και στις επιδόσεις της μηχανής. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις: α) σε τρεις πτερωτές κατά τη λειτουργία τους με καθαρό νερό σε εργαστηριακό δοκιμαστήριο αντλιών του Πανεπιστημίου Πατρών που σχεδιάσθηκε, κατασκευάσθηκε και εξοπλίσθηκε με μετρητικό εξοπλισμό και συλλογής - επεξεργασίας δεδομένων στα πλαίσια της διατριβής και β) σε μια πειραματική αντλία του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, με σκοπό τον έλεγχο και αποτίμηση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων για τις επιδόσεις των πτερωτών (μανομετρικό και βαθμός απόδοσης συναρτήσει της παροχής) σε διαφορετικούς αριθμούς στροφών. Η διατριβή αναπτύσσεται σε επτά κεφάλαια με την εκτενή ανασκόπηση της βιβλιογραφίας να παρέχεται στο εισαγωγικό κεφάλαιο. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι σχεδιασμοί των διαφόρων πτερωτών που αποτέλεσαν το αντικείμενο των υπολογιστικών προσομοιώσεων και των πειραματικών μετρήσεων καθώς επίσης ο σχεδιασμός του εργαστηριακού δοκιμαστηρίου αντλιών. Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται συνοπτική αναφορά στις φυσικομαθηματικές μοντελοποιήσεις των πεδίων ροών σε αντλίες, όταν λειτουργούν με καθαρό υγρό ή με μίγμα καθαρού υγρού-αέρα και οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν στις υπολογιστικές προσομοιώσεις της διατριβής. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα των αριθμητικών επιλύσεων των εξισώσεων RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) σε συνδυασμό με ένα μοντέλο τύρβης δύο εξισώσεων (k-ε, RNG k-ε και SST k-ω) για τις ροές καθαρού νερού σε δύο αντλίες και δώδεκα πτερωτές ακτινικής ροής. Από τα υπολογισθέντα πεδία πιέσεων και ταχυτήτων προσδιορίζονται φορτίσεις των πτερυγίων και χαρακτηριστικές επιδόσεις των πτερωτών που για τρεις πτερωτές συγκρίνονται με πειραματικές μετρήσεις. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται και σχολιάζονται οι προσομοιώσεις των διφασικών ροών νερού-αέρα σε τρεις πτερωτές σε διαφορετικές παροχές και ποσοστά αέριας φάσης. Οι προσομοιώσεις των ροών μιγμάτων καθαρού νερού–αέρα έγιναν με αριθμητική επίλυση των εξισώσεων RANS σε συνδυασμό το μοντέλο τύρβης SST k-ω και τα αποτελέσματα αναφορικά με τις επιδόσεις των πτερωτών συγκρίνονται με πειραματικές μετρήσεις από τη βιβλιογραφία. Στο έκτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα των υπολογιστικών προσομοιώσεων και προτείνονται θέματα περαιτέρω διερεύνησης. Στο έβδομο κεφάλαιο παρατίθεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διατριβή. Οι αναλύσεις των μονοφασικών πεδίων ροής στις φυγόκεντρες αντλίες και στις πτερωτές ακτινικής ροής πραγματοποιήθηκαν με τα εμπορικά λογισμικά υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) Ansys-Fluent και Ansys-CFX. Τα αποτελέσματα των υπολογιστικών προσομοιώσεων για τη λειτουργία των αντλιών με νερό συγκρινόμενα με τις πραγματοποιηθείσες μετρήσεις εμφανίζουν ικανοποιητική συμφωνία σε μια περιοχή παροχών πλησίον της ονομαστικής παροχής. Οι υπάρχουσες αποκλίσεις μπορούν να αποδοθούν στο γεγονός ότι οι μετρήσεις περιλάμβαναν συνολικά την αντλία, από το στόμιο αναρρόφησης έως την κατάθλιψη, και όχι ένα τμήμα αυτής όπως η πτερωτή. Από τις διερευνήσεις της επίδρασης της γωνίας εξόδου των πτερυγίων των ακτινικών πτερωτών συνάγεται ότι η αύξηση της γωνίας εξόδου των πτερυγίων αυξάνει αφενός το μανομετρικό ομαλοποιώντας την καμπύλη H-Q και αφετέρου μειώνει τον υδραυλικό βαθμό απόδοσης. Για την ονομαστική παροχή η αύξηση του μανομετρικού ανέρχεται έως 6.2% και η μείωση του υδραυλικού απόδοσης έως 4.5%. Από τις διερευνήσεις της γεωμετρίας της μέσης γραμμής καμπυλότητας των πτερυγίων βεβαιώνεται η επίδραση της στις επιδόσεις της πτερωτής, αλλά οι διαφορές είναι σχετικά μικρές και κατ΄απόλυτη τιμή μικρότερες του 10% για το μανομετρικό και 2.5% για τον υδραυλικό βαθμό απόδοσης, με αναφορά τις πτερωτές που τα πτερύγια τους έχουν γραμμική κατατομή της γωνίας κλίσης των πτερυγίων με την τελευταία να πλεονεκτεί ως προς τη σχεδιαστική απλότητα. Έχοντας πιστοποιήσει επίσης την αξιοπιστία των εκ των αριθμητικών προσομοιώσεων συναγομένων επιδόσεων των πτερωτών με τις πειραματικές μετρήσεις, μελετήθηκε η μεταβολή του πεδίου ταχυτήτων του ρευστού καθώς αυτό εξέρχεται από την πτερωτή και το πώς αυτό εξελίσσεται, καθώς το κάθε κανάλι που σχηματίζουν δύο διαδοχικά πτερύγια, προσεγγίζει την περιοχή της γλωττίδας του κελύφους και διέρχεται αυτής. Οι αναλύσεις των διφασικών πεδίων ροής νερού-αέρα στις πτερωτές ακτινικής ροής πραγματοποιήθηκαν με το εμπορικό λογισμικό CFD Ansys-CFX. Οι υπολογιστικές διερευνήσεις διφασικών μιγμάτων νερού-αέρα σε τρεις πτερωτές ακτινικής ροής περιορίζονται στις περιπτώσεις εκείνες όπου ο αέρας έχει τη μορφή των φυσαλίδων. Διενεργήθηκαν προσομοιώσεις για ποσοστό αέρα 2% και 5% ομοιόμορφα κατανεμημένο υπό μορφή απαραμόρφωτων σφαιρικών φυσαλίδων διαμέτρου 0.5mm, στην είσοδο της πτερωτής. Εξετάστηκαν δύο διαφορετικά μοντέλα για τις δυνάμεις που αναπτύσσονται και ασκούνται στις φυσαλίδες. Η μεταξύ τους αλληλεπίδραση όπως και με τα τοιχώματα της πτερωτής είναι καθοριστικής σημασίας για τον σχηματισμό ή όχι μεγαλύτερων θυλάκων, όπως και του σημείου εμφάνισης. Επίσης εφαρμόστηκαν διαφορετικές οριακές συνθήκες πίεσης με τον αέρα να αντιμετωπίζεται και ως ιδανικό ρευστό λαμβάνοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο υπόψη την συμπιεστότητα. Από τα υπολογιστικά αποτελέσματα συνάγεται ότι και στις διφασικές ροές η επίδραση της γεωμετρίας της μέσης γραμμής καμπυλότητας στις επιδόσεις των πτερωτών είναι σχεδόν ίδια με αυτή για μονοφασικές ροές ενώ η μείωση του μανομετρικού και του υδραυλικού βαθμού απόδοσης στην ονομαστική παροχή για ποσοστό αέρα 2% στο μίγμα ανέρχεται περίπου 7.7% και 3.8% αντίστοιχα όταν ο αέρας θεωρηθεί ως πραγματικό αέριο και 4.1% και 1.5% αντίστοιχα όταν ο αέρας θεωρείται ως ιδανικό αέριο. Για ποσοστό αέρα 5% στο μίγμα, οι μειώσεις του μανομετρικού και του υδραυλικού βαθμού απόδοσης στην ονομαστική παροχή ανέρχονται σε 14% και 6.4% αντίστοιχα όταν ο αέρας θεωρηθεί ως πραγματικό αέριο και 8.9% και 3.4% αντίστοιχα όταν ο αέρας θεωρηθεί ως ιδανικό αέριο.