Προσομοίωση σημάτων ηλεκτρικής αγωγιμότητας κατά τη διφασική ροή υγρού με φυσαλίδες
Creators: name: Ευγενίδης, Σωτήρης Παναγιώτη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Διφασική ροή υγρού με φυσαλίδες
Σήμα ηλεκτρικής αγωγιμότητας
Μέγεθος φυσαλίδων
Two-phase bubbly flow
Electrical conductance signal
Bubble size

description: Σκοπός της μεταπτυχιακής εργασίας είναι η προσομοίωση και μελέτη σημάτων ηλεκτρικής αγωγιμότητας κατά τη διφασική ροή υγρού με φυσαλίδες. Η διφασική ροή υγρού-αερίου βρίσκει πλήθος εφαρμογών στη βιομηχανία, αλλά εμφανίζεται επίσης στην κυκλοφορία του αίματος του ανθρώπινου οργανισμού ως σύμπτωμα της Νόσου Αποσυμπίεσης. Για την προσομοίωση των ηλεκτρικών σημάτων αναπτύσσεται ένα μοντέλο που διαχωρίζεται σε δύο υπο-μοντέλα. Το πρώτο επιλύει το πρόβλημα της δημιουργίας και κίνησης των φυσαλίδων και το δεύτερο την εξίσωση Laplace για το ηλεκτρικό πεδίο δύο διαστάσεων με δύο επίπεδα ηλεκτρόδια. Ως μεταβλητές εισόδου του μοντέλου θεωρούνται οι εξής: i) Απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων (0.00325 m), ii) Ταχύτητα του ρευστού (0.005 m/s), iii) Πλήθος φυσαλίδων (≤2000), iv) Ακτίνες δύο τύπων φυσαλίδων (≤60 μm) και v) Αριθμητικά κλάσματα των δύο τύπων φυσαλίδων (από 50-50% μέχρι 99.5-0.5%). Συνδυάζοντας κατάλληλα τις μεταβλητές iii) και iv) προκύπτουν τιμές κλάσματος κενού από ~0.001 μέχρι ~0.1. Η εφαρμογή του μοντέλου παρέχει στην έξοδο χρονοσειρές κανονικοποιημένης ηλεκτρικής αγωγιμότητας του διφασικού μίγματος ως προς την αγωγιμότητα της υγρής φάσης. Η στατιστική μελέτη προσομοιωμένων ηλεκτρικών σημάτων δείχνει πως οι περισσότερες και μεγαλύτερες φυσαλίδες αυξάνουν τις διακυμάνσεις του ηλεκτρικού σήματος γύρω από τη μέση τιμή. Επιπλέον, οι διακυμάνσεις αυξάνονται με το εύρος της κατανομής μεγέθους φυσαλίδων και την παρουσία ενός μικρού αριθμητικού κλάσματος φυσαλίδων μεγαλύτερου μεγέθους από το κυρίαρχο μέγεθος. Αυτά τα συμπεράσματα επιβεβαιώνουν τις πειραματικές παρατηρήσεις των Evgenidis &amp; Karapantsios (2015) κατά τη μελέτη της κατακόρυφης ανοδικής ομορροής υγρού με φυσαλίδες. Η προσομοίωση των σημάτων ηλεκτρικής αγωγιμότητας επιτρέπει επίσης την αξιολόγηση της εμπειρικής σχέσης των Evgenidis &amp; Karapantsios (2015) για την πρόβλεψη της μέσης αριθμητικής διαμέτρου (d1,0) της κατανομής μεγέθους φυσαλίδων από το συντελεστή διακύμανσης του ηλεκτρικού σήματος. Η μελέτη των προσομοιωμένων ηλεκτρικών σημάτων έδειξε πως: α) Η σχέση ανάμεσα στη μέση διάμετρο και το συντελεστή διακύμανσης του ηλεκτρικού σήματος είναι γραμμική, κάτι που βρίσκεται σε ικανοποιητική συμφωνία με την εμπειρική εξίσωση, β) Η διάμετρος d1,0 που υπολογίζεται από την εμπειρική εξίσωση είναι μετατοπισμένη προς τα μεγαλύτερα μεγέθη φυσαλίδων της κατανομής και γ) Η αύξηση του εύρους της κατανομής μεγέθους φυσαλίδων οδηγεί σε υπο-εκτίμηση της διαμέτρου d1,0 από την εμπειρική εξίσωση.
description: This thesis aims to simulate and study electrical conductance signals for the case of bubbly flow. Two-phase gas-liquid flow is encountered in several industrial applications, as well as in the human bloodstream during Decompression Sickness. A model is developed for the needs of the simulation, which is decomposed to two sub-models. The first one solves the bubbles configuration and motion problem and the second one solves Laplace equation for the 2-D electrical field with two strip electrodes. The input variables of the model are the following: i) Distance between the electrodes (0.00325 m), ii) Fluid velocity (0.005 m/s), iii) Bubbles number (≤2000), iv) Radii of two types of bubbles (≤60 μm) and v) Number fractions of the two bubble types (ranging from 50-50% to 99.5-0.5%). The combination of variables iii) και iv) results in void fraction values ranging from ~0.001 to ~0.1. Model application provides, finally, normalized electrical conductance time series of the bubbly flow. Statistical analysis of simulated electrical signals shows that bubbles population and size increase intensifies signal fluctuations around its mean value. Additionally, these fluctuations increase with bubble size distribution width and also with the presence of a small number fraction of bubbles whose size is larger than the dominant bubble size. The aforementioned conclusions are in agreement with the experimental findings of Evgenidis &amp; Karapantsios (2015) in co-current upward bubbly flow. Moreover, the simulation of electrical conductance signals allows for the assessment of an empirical equation, proposed by Evgenidis &amp; Karapantsios (2015), for the estimation of arithmetic mean bubble diameter (d1,0) based on the coefficient of variation (CV) of the acquired electrical signals. Investigation of simulated electrical signals shows that: a) The correlation between mean bubble diameter and CV of electrical signals is linear, that is in fair agreement with the empirical equation, b) Bubble diameter d1,0 estimated by the empirical equation is shifted to the larger bubbles of the distribution and c) Increase of bubble size distribution width induces an under-estimation of d1,0 based on the empirical equation.