Μελέτη του φαινομένου της πλημμύρισης σε αγωγούς μικρής διαμέτρου

Abstract

Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη του φαινομένου της πλημμύρισης κατά την αντιρροή υγρού-αερίου σε αγωγούς μικρής διαμέτρου. Πειράματα έγιναν σε αγωγούς με εσωτερική διάμετρο 6, 7, 8 και 9mm και κλίση 30° έως 90° ως προς την οριζόντια θέση. Ατμοσφαιρικός αέρας εισέρχεται από το κάτω μέρος του αγωγού μέσω ενός σωλήνα τοποθετημένου ομοαξονικά με το τμήμα μέτρησης ώστε να εξασφαλίζεται η ομαλή είσοδός του. Ως υγρή φάση χρησιμοποιήθηκε νερό και κηροζίνη που εισάγονται στο πάνω μέρος του αγωγού μέσα από πορώδες τοίχωμα ώστε να εξασφαλίζεται η ομοιόμορφη κατανομή της. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων έγιναν οπτικές παρατηρήσεις και ψηφιακή καταγραφή του φαινομένου με βιντεοκάμερα υψηλής ταχύτητας. Στα δεδομένα, που προέρχονται από τις μετρήσεις τόσο της πλημμύρισης όσο και της ρέουσας στιβάδας, είναι εμφανής η έντονη επίδραση της μικρής διαμέτρου (μεγάλης καμπυλότητας) του αγωγού. Η ελάττωση της επιφανειακής τάσης της υγρής φάσης ευνοεί τη δημιουργία κυμάτων και κατά συνέπεια η ταχύτητα πλημμύρισης, όταν χρησιμοποιείται κηροζίνη, είναι μικρότερη απ’ ότι όταν η υγρή φάση είναι το νερό. Στους κατακόρυφους αγωγούς και για μικρές τιμές του αριθμού Reynolds της υγρής φάσης (ReLS<300), όταν αυξάνεται η παροχή του υγρού αυξάνεται η κρίσιμη ταχύτητα του αερίου που απαιτείται για την έναρξη της πλημμύρισης. Αντίθετα για υψηλότερες παροχές της υγρής φάσης (ReLS<300) η κρίσιμη ταχύτητα πλημμύρισης μειώνεται αυξανομένης της παροχής της αέριας φάσης. Η τάση αυτή δεν αναφέρεται στην βιβλιογραφία και πιστεύεται ότι οφείλεται στην απόσβεση των κυμάτων, λόγω της έντονης αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, η οποία φαίνεται να ευνοείται από τη μεγάλη καμπυλότητα (μικρή διάμετρο) του αγωγού. Το εύρος της περιοχής αυτής μειώνεται όσο αυξάνεται η διάμετρος του αγωγού, τείνει δε να εξαφανισθεί για τους μεγαλύτερους αγωγούς που χρησιμοποιήθηκαν. Για ακόμη μεγαλύτερες τιμές του αριθμού Reynolds (ReLS>~800) η ταχύτητα πλημμύρισης είναι σχεδόν σταθερή, δηλαδή ανεξάρτητη από την παροχή της υγρής φάσης και παρουσιάζει ισχυρή εξάρτηση από τη διάμετρο του αγωγού και, αντίθετα απ’ ότι θα περίμενε κανείς, είναι γενικά υψηλότερη όταν χρησιμοποιούνται οι αγωγοί με τη μικρότερη διάμετρο. Σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις η έναρξη της πλημμύρισης γίνεται κοντά στην έξοδο του υγρού και ο κύριος μηχανισμός της είναι η ανάπτυξη των κυμάτων και ο συμπαρασυρμός τους προς τα πάνω από το αέριο που ρέει στην αντίθετη κατεύθυνση. Οι πειραματικές μετρήσεις των χαρακτηριστικών της υγρής φάσης, οι οποίες έγιναν χωρίς αντιρροή αερίου, δείχνουν ότι τα χαρακτηριστικά της υγρής στιβάδας επηρεάζονται από τη διάμετρο (καμπυλότητα) του αγωγού. Στους κεκλιμένους αγωγούς η ταχύτητα πλημμύρισης γενικά αυξάνεται όσο ο αγωγός πλησιάζει προς την οριζόντια θέση, ενώ η επίδραση της κλίσης είναι εντονότερη στους αγωγούς μικρότερης διαμέτρου (6 και 7mm). Για τις χαμηλότερες παροχές υγρού που χρησιμοποιήθηκαν (ReLS<350) η ταχύτητα του αερίου που προκαλεί πλημμύριση φαίνεται να είναι σχεδόν ανάλογη της παροχής της υγρής φάσης, τάση που δεν έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα στη βιβλιογραφία. Η εξάρτηση αυτή πιστεύεται ότι είναι το τελικό αποτέλεσμα της ταυτόχρονης επίδρασης πάνω στο κύμα των διαφόρων δυνάμεων που οφείλονται στην αδράνεια, τη βαρύτητα και την οπισθέλκουσα λόγω της αντιρροής του αερίου. Παρατηρείται ότι και σ’ αυτή την περίπτωση η έναρξη της πλημμύρισης σχετίζεται με τη μεταφορά (συμπαρασυρμό) των κυμάτων από την αέρια φάση. Για μεγαλύτερες παροχές της υγρής φάσης (ReLS>350) και μεγαλύτερες διαμέτρους αγωγών η ταχύτητα πλημμύρισης ακολουθεί τη συνήθη τάση, δηλαδή αυξανομένης της παροχής της υγρής φάσης μειώνεται η απαιτούμενη παροχή αερίου. Οι υψηλότερες ταχύτητες πλημμύρισης που παρατηρούνται στους μικρότερους αγωγούς (6 και 7mm), πιστεύεται ότι οφείλονται στην απόσβεση των κυμάτων εξαιτίας της αλληλεπίδρασής τους. Για την πρόβλεψη της έναρξης της πλημμύρισης σε αγωγούς μικρής διαμέτρου προτείνονται νέοι συσχετισμοί. Διαμορφώνονται επίσης αναλυτικές σχέσεις για την εκτίμηση των χαρακτηριστικών της ελευθέρως ρέουσας στιβάδας, οι οποίες πιστεύεται ότι θα συμβάλλουν στον καλύτερο σχεδιασμό συσκευών διεργασιών. Επιπλέον τα νέα πειραματικά δεδομένα μπορεί να αξιοποιηθούν από άλλους ερευνητές για τον έλεγχο προτεινόμενων μοντέλων και συσχετισμών.