Προσομοίωση διφασικών ροών σε εσωτερικούς χώρους με τεχνικές υπολογιστικής ρευστομηχανικής
Authors: Καραδήμου Δέσποινα 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διαπραγματεύεται τη μελέτη ροών δύο φάσεων με διασπορά, οι οποίες συναντώνται στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον. Συγκεκριμένα επικεντρώνεται στη μελέτη του μηχανισμού μεταφοράς των σωματιδιακών ρύπων του ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος και της παραγωγής σταγονιδίων υγρασίας από τη συμπύκνωση των υδρατμών της ατμόσφαιρας.Επιλέχθηκε η δυσμενής περίπτωση του αραιού αερολύματος: α) στο εσωτερικό ενός δωματίου, β) στη γεωμετρία ενός σκαλοπατιού με φορά προς τα πίσω και αναπτύχθηκε ένα τριών διαστάσεων μαθηματικό μοντέλο δύο φάσεων (αέρα και σωματιδίων), στο οποίο εφαρμόζεται η μέθοδος ροής Euler και για τις δύο φάσεις, οι οποίες αντιμετωπίζονται ως συνεχείς και αλληλοδιασκορπισμένες η μία μέσα στην άλλη. Οι δύο φάσεις (αέρας και σωματίδια) αλληλεπιδρούν πλήρως μεταξύ τους και η δύναμη τριβής ανάμεσα στις δύο φάσεις μοντελοποιείται με κατάλληλη εμπειρική σχέση. Για τη μαθηματική μοντελοποίηση της τύρβης εφαρμόστηκαν τα ακόλουθα μοντέλα τύρβης δύο εξισώσεων: α) συμβατικό k-ε, β) RNG k-ε, γ) k-ε εφικτών λύσεων, δ) k-ω, από τα οποία ξεχώρισαν για την απόδοσή τους το RNG k-ε και το k-ω. Εφαρμόστηκε επίσης το Πρότυπο Μεταφοράς της Προσομοίωσης των Μεγάλων Δινών, με το οποίο επιτεύχθηκε βελτίωση της πρόβλεψης της διασποράς των αιωρούμενων σωματιδίων.Η διακριτοποίηση των εξισώσεων του προβλήματος της διφασικής ροής πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο των πεπερασμένων όγκων ελέγχου. Για τη διακριτοποίηση των όρων συναγωγής των μερικών διαφορικών εξισώσεων μεταφοράς της ορμής και των βαθμωτών μεγεθών εφαρμόστηκαν διαφορετικά αριθμητικά σχήματα, όπως το ανάντη, υβριδικό, το van LEER, το SUCCA, το SUPER. Για τη διακριτοποίηση των όρων διάχυσης εφαρμόστηκαν κεντρικές διαφορές, ενώ για τη χρονική μεταβολή εφαρμόστηκε πλήρως έμμεσο σχήμα διακριτοποίησης. Το σχήμα διακριτοποίησης SUPER είναι κατάλληλο για ροές τριών διαστάσεων και λαμβάνει υπόψη του τον προσανατολισμό της ροής, με αποτέλεσμα να οδηγεί στη μείωση της αριθμητικής διάχυσης της λύσης στην περίπτωση της κεκλιμένης ροής ως προς τις ακμές του πλέγματος χωρίς να αυξάνει το κόστος των αριθμητικών υπολογισμών πάνω απο 10%. Για την αριθμητική επίλυση των εξισώσεων ορμής εφαρμόστηκε έμμεση επαναληπτική μέθοδος γραμμή προς γραμμή, ενώ για την εξίσωση συνέχειας εφαρμόστηκε μέθοδος πλήρους πεδίου. Πραγματοποιήθηκε σύγκριση και αξιολόγηση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με πειραματικά δεδομένα.Το παραπάνω μαθηματικό μοντέλο εφαρμόστηκε επίσης στην περίπτωση της διφασικής ροής υγρού αέρα με διασπορά σταγονιδίων και εμπλουτίστηκε με έναν όρο πηγής στην εξίσωση συνέχειας για να περιγραφεί η μεταφορά μάζας από την αέρια φάση (ξηρός αέρας και υδρατμοί) στην υγρή (νερό). Πραγματοποιήθηκε αριθμητική επίλυση της διεργασίας συμπύκνωσης των υδρατμών λόγω της παρουσίας επιφάνειας τοίχων χαμηλότερης θερμοκρασίας στη δυσμενή περίπτωση ενός δωματίου χωρίς αερισμό και έγινε πρόβλεψη του σχηματισμού της υγρασίας στους εσωτερικούς τοίχους. Διαμορφώθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο πρόβλεψης της κατανομής της ταχύτητας, της θερμοκρασίας και της υγρασίας κατάλληλο για την αξιοποίησή του ως εργαλείο σχεδιασμού του βέλτιστου αερισμού, με τον οποίο θα εξασφαλίζονται οι συνθήκες θερμικής άνεσης στους ενοίκους.