Μελέτη διαχωρισμένης διφασικής ροής με εκνέφωση σε οριζόντιο αγωγό
Authors: Βλάχος Νικόλαος 
Published: November 2021

Η "διαχωρισμένη ροή με εκνέφωση" (stratified/atomization flow) είναι μια ενδιάμεση μορφή ροής και παρουσιάζει κοινά χαρακτηριστικά με τις γειτονικές της περιοχές ροής, δηλαδή την πλήρως διαχωρισμένη (stratified) και τη δακτυλιοειδή (annular). Στη διατριβή μελετώνται πειραματικά βασικά ρευστοδυναμικά χαρακτηριστικά που αφορούν τόσο στη διαχωρισμένη στοιβάδα υγρού (κατανομή πάχους στοιβάδας και διατμητικής τάσης στο τοίχωμα) όσο και στην αέρια φάση (κατανομή αξονικής ταχύτητας, πτώση πίεσης). Η ακριβής περιγραφή των χαρακτηριστικών αυτών, εκτός από την πρακτική της χρησιμότητα διευκολύνει και την κατανόηση μηχανισμών που διαμορφώνουν τη σχετικά πολυπλοκότερη δακτυλιοειδή ροή.Στην εργασία μετρήθηκαν το πάχος της υγρής στοιβάδας εφαρμόζοντας μια αγωγιμομετρική τεχνική, η περιφερειακή κατανομή της διατμητικής τάσης υγρού/τοιχώματος αγωγού χρησιμοποιώντας την ανεμομετρία θερμού υμένα και τη μέθοδο της ηλεκτροδιάχυσης και η κατανομή της αξονικής ταχύτητας στην αέρια φάση, με χρήση ενός συστήματος ανεμομετρίας Laser Doppler. Παράλληλα έγιναν μετρήσεις της πτώσεις πίεσης καθώς και οπτικές παρατηρήσεις. Για τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκαν δύο οριζόντια πειραματικά συστήματα ροής σε αγωγούς εσωτερικής διαμέτρου 50.8 και 24mm.Η στατιστική ανάλυση των πειραματικών δεδομένων, που προκύπτουν από την εφαρμογή της αγωγιμομετρικής τεχνικής, οδηγεί στον προσδιορισμό της τοπικής μέσης χρονικής τιμής και της τυπικής απόκλισης του πάχους υγρής στοιβάδας. Παρόμοια στατιστικά δεδομένα εξάγονται από τις τοπικές μετρήσεις της διατμητικής τάσης υγρού/τοιχώματος και της αξονικής συνιστώσας της ταχύτητας στην αέρια φάση. Η μέση τιμή του πάχους του υγρού στον πυθμένα του αγωγού μειώνεται με αύξηση της παροχής της αέριας φάσης, ενώ αυξάνεται με την παροχή του υγρού. Ανάλογη συμπεριφορά παρατηρείται και για την τυπική απόκλιση.Η φασματική ανάλυση των χρονοσειρών του πάχους υγρής στοιβάδας επιτρέπει την εύρεση της χαρακτηριστικής συχνότητας εμφάνισης των κυμάτων της διεπιφάνειας αερίου/υγρού, η οποία αυξάνεται κυρίως με την ταχύτητα της αέριας φάσης. Με περαιτέρω ανάλυση των χρονοσειρών αυτών προκύπτουν βασικά χαρακτηριστικά των μεγάλων διεπιφανειακών κυμάτων, όπως είναι η ταχύτητα, το ύψος, το πλάτος και η διάλειψη, ενώ εξετάζεται η επίδραση των παροχών και των δύο φάσεων στα μεγέθη αυτά.Οπτικές παρατηρήσεις της διεπιφάνειας αερίου/υγρού επιβεβαιώνουν ότι η μορφή της είναι κοίλη και αποκλίνει σημαντικά από το επίπεδο σχήμα, που θεωρείται ότι έχει στις περισσότερες υπολογιστικές μεθόδους της βιβλιογραφίας για τη διαχωρισμένη διφασική ροή. Επίσης παρατηρείται ότι δεν υπάρχουν "στεγνές" περιοχές στο τμήμα της περιφέρειας του αγωγού που διαβρέχεται από την υγρή φάση, η οποία είναι συνεχής.Η μέση τιμή της διατμητικής τάσης υγρού/τοιχώματος μειώνεται στην περιφερειακή κατεύθυνση (δηλαδή μακριά από τον πυθμένα του αγωγού,Θ=0ο), κατά μήκος της οποίας μειώνεται σταδιακά και το πάχος της υγρής στοιβάδας. Μόνο για τις στοιβάδες υγρού με σχετικά μεγάλο πάχος, η διατμητική τάση διατηρείται σταθερή στην περιοχή Θ=0ο έως Θ=45ο, ενώ πέρα από αυτή μειώνεται δραστικά. Η περιφερειακή κατανομή της διατμητικής τάσης περιγράφεται ικανοποιητικά από μία εκθετική έκφραση που προτείνεται στην παρούσα εργασία.Με ταυτόχρονη επίλυση των ισοζυγίων ορμής για την υγρή και την αέρια φάση και χρησιμοποιώντας τα παραπάνω δεδομένα, υπολογίζεται ο συντελεστής τριβής της διεπιφάνειας αερίου/υγρού, για τον οποίο προτείνεται ένας εμπειρικός συσχετισμός. Επίσης εξετάζεται η σχέση που συνδέει τη φαινόμενη διεπιφανειακή τραχύτητα με τα χαρακτηριστικά των κυμάτων (ύψος, πλάτος, διάλειψη).Από τις κατανομές της αξονικής ταχύτητας στην αέρια φάση εξάγεται το συμπέρασμα ότι είναι πιθανή η ύπαρξη ρευμάτων δευτερογενούς ροής, τα οποία έχουν φορά προς τα πάνω κοντά στα τοιχώματα του αγωγού και προς τα κάτω στο κέντρο του. Γίνεται αποτίμηση των τοπικών μετρήσεων της ταχύτητας με δεδομένα που αποκτήθηκαν κάτω από τις ίδιες πειραματικές συνθήκες και αφορούν βασικά χαρακτηριστικά της υγρής στοιβάδας καθώς και τη διατμητική τάση υγρού/ τοιχώματος αγωγού.Τα φάσματα συχνοτήτων των διαταραχών του πάχους υγρής στοιβάδας εμφανίζουν σημαντικές ομοιότητες με τα αντίστοιχα φάσματα της διατμητικής τάσης και της αξονικής ταχύτητας, γεγονός που φανερώνει την επίδραση των διεπιφανειακών κυμάτων στις συνθήκες ροής τόσο της υγρής φάσης στο τοίχωμα του αγωγού όσο και της αέριας φάσης κοντά στη διεπιφάνεια. Η επίδραση των κυμάτων είναι πιθανό να εκτείνεται μέχρι την κορυφή του αγωγού, διαμέσου της δευτερογενούς ροής στην αέρια φάση. Αντίθετα υπάρχουν ενδείξεις ότι η επίδραση κυμάτων με συχνότητα μεγαλύτερη από 5Hz μπορεί να μη γίνεται αισθητή στον πυθμένα του αγωγού, όταν αυτός καλύπτεται από στοιβάδα υγρού σχετικά μεγάλου πάχους.Τέλος στην εργασία αναπτύσσεται ένα απλό μονοδιάστατο μοντέλο πρόβλεψης της πτώσης πίεσης, της συγκράτησης του υγρού και της μέσης τιμής της διατμητικής τάσης στο τμήμα της περιφέρειας του αγωγού που διαβρέχεται από τη συνεχή υγρή φάση. Οι προβλέψεις της υπολογιστικής διαδικασίας είναι ικανοποιητικές και εκτιμάται ότι το μοντέλο μπορεί να συμβάλλει τόσο στην αντιμετώπιση πρακτικών προβλημάτων όσο και στην παραπέρα συστηματική έρευνα της οριζόντιας διφασικής ροής.