Υπολογιστική ανάλυση μονοφασικής και διφασικής ροής νερού-αέρα σε ακτινικές πτερωτές αντλιών

Abstract

The aim of the doctoral dissertation is the computational analysis and investigation of fresh water flows and two-phase water-air mixture flows in single-stage radial flow pump impellers. For the simulations, an industrial pump, an experimental pump and triads of impellers were selected for each of the four ideal pumps in order to study the effects of some of the geometric parameters on the flow field and the performance of the machine. In addition, experimental measurements were performed with: a) three impellers that operate with fresh water in an experimental centrifugal pump test rig of the University of Patras designed, manufactured and equipped with measuring equipment and data collection-processing during the research work and b) an experimental pump of the National Technical University of Athens, in order to evaluate the computational results regarding the performance of the impellers (total head and efficiency vs flow rate) in various rotational speeds. The thesis is structured in seven chapters with an extensive review of the literature provided in the introductory chapter. The second chapter presents the designs of the various impellers that were the subject of the computational simulations and experimental measurements as well as the design of the experimental centrifugal pump test rig. In the third chapter, a brief reference is made to the physicomathematical modeling of flow fields into pumps, when operating with water or with a mixture of water-air and which were used in the computational simulations. The fourth chapter presents and comments on the results of the numerical solutions of the RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) equations in combination with a two-equation turbulence model (k-ε, RNG k-ε and SST k-ω) for one phase flows in two pumps and twelve radial flow impellers. From the calculated velocity and pressure fields, blades loading and impellers’ performances are determined, which for three cases are compared with experimental measurements. In the fifth chapter, the simulations of the two-phase water-air flows in three impellers in three different flow rates and two gas phase percentages are presented and commented. The simulations of the water-air mixture flows were performed by numerical solution of the RANS equations in combination with the SST k-ω turbulence model and the results regarding the performance of the impellers are compared with experimental measurements provided in the literature. The sixth chapter summarizes the conclusions of the computational simulations and suggests further research issues. The seventh chapter contains the bibliography used in the present thesis. The studies of single-phase flow fields in centrifugal pumps and radial flow impellers were performed with Ansys-Fluent and Ansys-CFX computational fluid dynamics (CFD) commercial software. The results of numerical simulations for the pumps working with fresh water s compared to the conducted measurements show a satisfactory agreement in the region of the best efficiency point. Existing deviations can be attributed to the fact that the measurements referred to the pump as a whole, from the suction to the outlet, and not to a part of it such as the impeller. From the investigations of the influence of the output blade angle of the radial flow impellers, it is concluded that increasing the output blade angle increases on the one hand the total head with a simultaneous tendency the H-Q curve flattening and on the other hand reduces the hydraulic efficiency. For the nominal flow rate, the increase in the manometer is up to 6.2% and the decrease in the hydraulic efficiency is up to 4.5%. Investigations of the geometry of the mean camber line of the blades confirm its effect on the performance of the impellers, but the differences are relatively small and absolutely less than 10% for the total head and 2.5% for the hydraulic efficiency, having as reference the impellers with a linear variation of the angle of inclination of the blades. The latter has the advantage in terms of design simplicity. Having validated the numerical performance predictions with experiments, the variation in the velocity field was studied as it exits the impeller and how it evolves, as each channel forming two successive blades approaches the pump’s tongue and passes it. The studies of two-phase (water-air mixture) flows in the radial flow impellers were performed with Ansys-CFX CFD commercial software. Computational investigations of two-phase water-air mixtures in three radial flow impellers are limited to those cases where the air is in the form of bubbles. Simulations were performed for air percentage of 2% and 5% evenly distributed in the form of undeformable spherical bubbles with a diameter of 0.5mm, at the entrance of the impeller. Two different models for the exerted forces on the bubbles were examined. The interaction between them as with the walls of the impeller is crucial for the formation or not of larger pockets, as well as for the point of their appearance. Different pressure boundary conditions were also applied, with the air being treated as an ideal fluid, taking into account its compression. From the numerical results it can be deduced that in two-phase flows the influence of the curvature of the mean camber line on the performance of the impellers is almost the same as that for single-phase flows while the reduction of the total head and hydraulic efficiency in the nominal flow rate for 2% air in the water-air mixture is about 7.7% and 3.8% respectively when air is considered as real gas and 4.1% and 1.5% respectively when air is considered as ideal gas. For a 5% air in the wa-ter-air mixture, the reductions in total head and hydraulic efficiency in the nominal flow rate amount to 14% and 6.4% respectively when the air is considered as real gas and 8.9% and 3.4% respectively when the air is considered as ideal gas.

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.