Υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση διφασικής ροής σε παθητικό σύστημα διαχωρισμού με αγωγούς μικρής διαμέτρου και ενσωματωμένη διακλάδωση τύπου Τ διαφόρων προσανατολισμών και γεωμετρικών διαμορφώσεων

Abstract

The complexity characterizing in general the description of multiphase flow, and more specifically gas-liquid two-phase flow in conjunction with their wide range of applications, and the capability of T-junctions to act as partial phase separators either solely or in combination with conventional separators, dictated the objective of the present thesis. However, the separation that inevitably occurs at T-junctions results to an uneven split of the incoming mixture phases affecting both separation efficiency and downstream equipment, whereas it is depended on many parameters. Thus, the aim of the current work was to investigate the effect of the inclination angle adopted for the side arm of both regular and reduced T-junctions to important two-phase flow parameters such as phase separation, liquid carryover, mixture velocity, void fraction, total pressure, and pressure gradient. The outcomes of both two- and three-dimensional computational investigations revealed on the one hand the superior performance of the tilted at 30° side arm, which proved to be able to ensure a high and relatively stable separation performance despite the significant increment of air superficial velocity, on the other hand the decrement in separation efficiency for increasing water superficial velocity, especially at the vertical oriented T-junction. Now, the void fraction, and the mixture velocity upstream the junction showed to be irrespective of the adopted side arm inclination angle and/or of its diameter, whereas a higher void fraction value resulted in a greater separation efficiency. The almost identical void fraction values and mixture velocity upstream the T-junction, regardless of the adopted inclination angle of its side arm, led to identical values of total pressure as well, whereas the pressure gradient due to the presence of the junction was significantly greater than the corresponding one arose in the main arm of the separation system, for all test cases examined. In general, the results in case of reduced T-junctions indicated that separation systems already consisted of small diameter pipes, further decrement in side arm diameter did not improve the separation performance, on the contrary it deteriorated it. Finally, the comparison of the results extracted from the experimental and the computational investigation confirmed the quality of the latter as it was able to capture both the high and relatively stable separation performance occurred in experimental campaign, and the flow pattern developed in the main arm which corresponded to stratified or stratified-wavy flow pattern, whereas the corresponding comparison regarding the predictions of the void fraction values and frictional pressure drop by applying theoretical models demonstrated that none of them has a general applicability, and their use is depending on the required accuracy.

Η πολυπλοκότητα που χαρακτηρίζει την περιγραφή της πολυφασικής ροής, και ειδικότερα το φαινόμενο διαχωρισμού διφασικής ροής υγρού-αερίου, σε συνδυασμό με το ευρύ φάσμα εφαρμογών της, αλλά και τα σημαντικά πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η υιοθέτηση της εναλλακτικής μεθόδου διαχωρισμού με χρήση διακλαδώσεων τύπου Τ, έναντι ή συμπληρωματικά των συμβατικών βαρυτικών ή/και φυγοκεντρικών μεθόδων, αποτέλεσαν τους παράγοντες καθορισμού του αντικειμένου και των στόχων της παρούσας έρευνας. Το σημαντικό πλεονέκτημα, ωστόσο, του φυσικού διαχωρισμού που συντελείται στις φάσεις ενός διφασικού (ή πολυφασικού εν γένει) μίγματος στην περιοχή της διακλάδωσης τύπου Τ, συνεπάγεται, επίσης, την άνιση κατανομή τους στους επιμέρους κλάδους της διακλάδωσης, γεγονός που επηρεάζει τόσο την απόδοση διαχωρισμού, όσο και τη λειτουργία του κατάντη εξοπλισμού, ενώ αποτελεί συνάρτηση της δράσης πλήθους παραμέτρων. Έτσι, η μελέτη που υλοποιήθηκε στην παρούσα έρευνα αποσκοπούσε στη διερεύνηση της επίδρασης του υιοθετούμενου προσανατολισμού της διακλάδωσης τύπου Τ ή/και της μείωσης της διαμέτρου του πλευρικού της βραχίονα, για ένα ευρύ φάσμα ροϊκών συνθηκών, σε σημαντικές παραμέτρους που διέπουν το φαινόμενο διαχωρισμού (και κατ’ επέκταση την απόδοση διαχωρισμού), όπως ο βαθμός διαχωρισμού, το ποσοστό συμπαράσυρσης της υγρής φάσης του μίγματος (νερού), η ταχύτητα του μίγματος, το κλάσμα κενού, η ολική πίεση και η βαθμίδα πίεσης. Τα αποτελέσματα τόσο της δισδιάστατης, όσο και της τρισδιάστατης υπολογιστικής διερεύνησης του φαινομένου διαχωρισμού κατέδειξαν αφενός την υπεροχή του υπό κλίση 30° πλευρικού βραχίονα της κανονικής διακλάδωσης τύπου Τ, ο οποίος αποδείχθηκε ικανός να εξασφαλίζει έναν υψηλό -και σχετικά σταθερό- βαθμό διαχωρισμού, παρά τη σημαντική αύξηση στη φαινομενική ταχύτητα του αέρα, αφετέρου την αρνητική επίπτωση της αύξησης της φαινομενικής ταχύτητας του νερού στον βαθμό διαχωρισμού, ειδικά στην περίπτωση του υπό κλίση 90° πλευρικού βραχίονα της κανονικής διακλάδωσης τύπου Τ. Το κλάσμα κενού, τώρα, όπως και η ταχύτητα του μίγματος ανάντη της διακλάδωσης φάνηκε να μην επηρεάζονται ουσιαστικά από τον υιοθετούμενο προσανατολισμό ή/και τη διάμετρο του πλευρικού της βραχίονα, ενώ υψηλότερη τιμή του κλάσματος κενού συνεπαγόταν υψηλότερο βαθμό διαχωρισμού. Η παρατηρούμενη, σχεδόν, ταύτιση των τιμών του κλάσματος κενού και της ταχύτητας του μίγματος πριν τη διακλάδωση, ανεξάρτητα του κατάντη προσανατολισμού του πλευρικού της βραχίονα, οδήγησε σε αντίστοιχη ταύτιση των τιμών της ολικής πίεσης, ενώ όσον αφορά τη βαθμίδα πίεσης παρατηρήθηκε ότι η τιμή της στην περιοχή της κανονικής διακλάδωσης τύπου Τ ήταν σημαντικά μεγαλύτερη της αντίστοιχης που υπολογίστηκε στον οριζόντιο κύριο αγωγό της διάταξης διαχωρισμού, για το σύνολο των εξεταζόμενων ροϊκών συνθηκών. Η γενική εικόνα, ακόμη, των αποτελεσμάτων αναφορικά με τη μείωση της διαμέτρου του πλευρικού βραχίονα της διακλάδωσης τύπου Τ έδειξε ότι στην περίπτωση που η διάταξη διαχωρισμού συγκροτείται ήδη από αγωγούς μικρής διαμέτρου, η περαιτέρω μείωση της διαμέτρου του πλευρικού βραχίονα της διακλάδωσης δεν αποτελεί ενδεδειγμένη πρακτική για τη βελτίωση της απόδοσης διαχωρισμού, οδηγώντας σε αντίθετα από τα επιθυμητά αποτελέσματα. Τέλος, η αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων πειραματικής και υπολογιστικής διερεύνησης πιστοποίησε την αξιοπιστία της τελευταίας δεδομένου ότι ήταν σε θέση να αποδώσει τόσο τον υψηλό και σχετικά σταθερό βαθμό διαχωρισμού που παρατηρήθηκε κατά την πειραματική διερεύνηση, όσο και το μοτίβο ροής που αναπτύχθηκε στον οριζόντιο κύριο αγωγό της διάταξης διαχωρισμού, το οποίο αντιστοιχούσε σε μοτίβο στρωματοποιημένης (stratified flow) ή κυματοειδούς στρωματοποιημένης (stratified-wavy flow) ροής, ενώ η σύγκριση που πραγματοποιήθηκε για τις προβλέψεις δημοφιλών θεωρητικών προσεγγίσεων υπολογισμού του κλάσματος κενού και της βαθμίδας πίεσης λόγω τριβής τόσο μεταξύ τους, όσο και με τις αντίστοιχες προβλέψεις της υπολογιστικής διερεύνησης, κατέδειξε την αδυναμία καθολικής εφαρμογής ενός θεωρητικού μοντέλου ή/και την υιοθέτησή του ανάλογα με τη ζητούμενη τελική ακρίβεια των υπολογισμών.