Μελέτη διαχωρισμένης διφασικής ροής με εκνέφωση σε οριζόντιο αγωγό

Abstract

This thesis deals with horizontal stratified/atomization gas/liquid flow. Measurements of liquid film thickness, pressure drop, liquid-to-wall shear stress and visual observations are reported, obtained in horizontal pipelines with diameters of 50.8 and 24mm. Attention is paid to the lateral variation of liquid film properties. Measuring techniques used in the course of this work, involve parallel-wire conductance probes, pressure transducers, flush-mounted hot-film probes, and the electro-diffusion method, for measuring liquid-to-wall shear stress at various positions around the pipe circumference. Additionally, new data are reported on local axial velocities inside the gas phase, using the LDA technique.Statistical analysis of liquid film records lead to the determination of local mean thickness, RMS values as well as of other wave characteristics (wave celerity, height, amplitude and intermittency) useful in computing gas/liquid interface friction. These data are complemented by similar statistical information from the shear stress measurements. Visual studies of the gas/liquid interface confirm that its profile is concave rather than flat. A new result obtained here is that the time-averaged shear stress tends to decrease in the lateral direction (i.e. away from the pipe bottom, Θ=0ο) along which the liquid film gradually becomes thinner. Only for relatively thick liquid layers, the mean shear stress is almost constant up to Θ=45ο. Beyond that lateral position, shear stress tends to decrease as the film thickness decreases. An expression is proposed for predicting the shear stress circumferential distribution. Power spectra of film thickness and of shear stress display similarities indicative of the effect of waves on wall stress. There is also evidence suggesting that damping of interfacial waves takes place in relatively thick films.The average gas/liquid interfacial friction factor is determined with improved accuracy, by means of momentum balances utilizing the above new data. Additionally, an equivalent gas/liquid interface roughness is expressed in terms of wave characteristics.Mean local velocities, RMS values and other statistical information are obtained by analyzing the instantaneous velocity records. From the velocity profiles a secondary flow pattern is inferred with an upward motion at the pipe wall and a downward motion at the vertical pipe centerline. The velocity measurements are assessed in connection with data of liquid layer characteristics and wall shear stress, obtained under the same flow conditions. The velocity spectra clearly exhibit the influence of the large waves on the gas phase, near the gas-liquid interface; they also suggest that this influence extends up to the top wall of the pipe, probably through the secondary motion inside the gas phase.Finally, a phenomenological model is developed for predicting liquid holdup, pressure drop and liquid-to-wall shear stress. It is expected to provide considerable guidance, and to serve as the basis for modeling the more complicated annular flow regime.

Η "διαχωρισμένη ροή με εκνέφωση" (stratified/atomization flow) είναι μια ενδιάμεση μορφή ροής και παρουσιάζει κοινά χαρακτηριστικά με τις γειτονικές της περιοχές ροής, δηλαδή την πλήρως διαχωρισμένη (stratified) και τη δακτυλιοειδή (annular). Στη διατριβή μελετώνται πειραματικά βασικά ρευστοδυναμικά χαρακτηριστικά που αφορούν τόσο στη διαχωρισμένη στοιβάδα υγρού (κατανομή πάχους στοιβάδας και διατμητικής τάσης στο τοίχωμα) όσο και στην αέρια φάση (κατανομή αξονικής ταχύτητας, πτώση πίεσης). Η ακριβής περιγραφή των χαρακτηριστικών αυτών, εκτός από την πρακτική της χρησιμότητα διευκολύνει και την κατανόηση μηχανισμών που διαμορφώνουν τη σχετικά πολυπλοκότερη δακτυλιοειδή ροή.Στην εργασία μετρήθηκαν το πάχος της υγρής στοιβάδας εφαρμόζοντας μια αγωγιμομετρική τεχνική, η περιφερειακή κατανομή της διατμητικής τάσης υγρού/τοιχώματος αγωγού χρησιμοποιώντας την ανεμομετρία θερμού υμένα και τη μέθοδο της ηλεκτροδιάχυσης και η κατανομή της αξονικής ταχύτητας στην αέρια φάση, με χρήση ενός συστήματος ανεμομετρίας Laser Doppler. Παράλληλα έγιναν μετρήσεις της πτώσεις πίεσης καθώς και οπτικές παρατηρήσεις. Για τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκαν δύο οριζόντια πειραματικά συστήματα ροής σε αγωγούς εσωτερικής διαμέτρου 50.8 και 24mm.Η στατιστική ανάλυση των πειραματικών δεδομένων, που προκύπτουν από την εφαρμογή της αγωγιμομετρικής τεχνικής, οδηγεί στον προσδιορισμό της τοπικής μέσης χρονικής τιμής και της τυπικής απόκλισης του πάχους υγρής στοιβάδας. Παρόμοια στατιστικά δεδομένα εξάγονται από τις τοπικές μετρήσεις της διατμητικής τάσης υγρού/τοιχώματος και της αξονικής συνιστώσας της ταχύτητας στην αέρια φάση. Η μέση τιμή του πάχους του υγρού στον πυθμένα του αγωγού μειώνεται με αύξηση της παροχής της αέριας φάσης, ενώ αυξάνεται με την παροχή του υγρού. Ανάλογη συμπεριφορά παρατηρείται και για την τυπική απόκλιση.Η φασματική ανάλυση των χρονοσειρών του πάχους υγρής στοιβάδας επιτρέπει την εύρεση της χαρακτηριστικής συχνότητας εμφάνισης των κυμάτων της διεπιφάνειας αερίου/υγρού, η οποία αυξάνεται κυρίως με την ταχύτητα της αέριας φάσης. Με περαιτέρω ανάλυση των χρονοσειρών αυτών προκύπτουν βασικά χαρακτηριστικά των μεγάλων διεπιφανειακών κυμάτων, όπως είναι η ταχύτητα, το ύψος, το πλάτος και η διάλειψη, ενώ εξετάζεται η επίδραση των παροχών και των δύο φάσεων στα μεγέθη αυτά.Οπτικές παρατηρήσεις της διεπιφάνειας αερίου/υγρού επιβεβαιώνουν ότι η μορφή της είναι κοίλη και αποκλίνει σημαντικά από το επίπεδο σχήμα, που θεωρείται ότι έχει στις περισσότερες υπολογιστικές μεθόδους της βιβλιογραφίας για τη διαχωρισμένη διφασική ροή. Επίσης παρατηρείται ότι δεν υπάρχουν "στεγνές" περιοχές στο τμήμα της περιφέρειας του αγωγού που διαβρέχεται από την υγρή φάση, η οποία είναι συνεχής.Η μέση τιμή της διατμητικής τάσης υγρού/τοιχώματος μειώνεται στην περιφερειακή κατεύθυνση (δηλαδή μακριά από τον πυθμένα του αγωγού,Θ=0ο), κατά μήκος της οποίας μειώνεται σταδιακά και το πάχος της υγρής στοιβάδας. Μόνο για τις στοιβάδες υγρού με σχετικά μεγάλο πάχος, η διατμητική τάση διατηρείται σταθερή στην περιοχή Θ=0ο έως Θ=45ο, ενώ πέρα από αυτή μειώνεται δραστικά. Η περιφερειακή κατανομή της διατμητικής τάσης περιγράφεται ικανοποιητικά από μία εκθετική έκφραση που προτείνεται στην παρούσα εργασία.Με ταυτόχρονη επίλυση των ισοζυγίων ορμής για την υγρή και την αέρια φάση και χρησιμοποιώντας τα παραπάνω δεδομένα, υπολογίζεται ο συντελεστής τριβής της διεπιφάνειας αερίου/υγρού, για τον οποίο προτείνεται ένας εμπειρικός συσχετισμός. Επίσης εξετάζεται η σχέση που συνδέει τη φαινόμενη διεπιφανειακή τραχύτητα με τα χαρακτηριστικά των κυμάτων (ύψος, πλάτος, διάλειψη).Από τις κατανομές της αξονικής ταχύτητας στην αέρια φάση εξάγεται το συμπέρασμα ότι είναι πιθανή η ύπαρξη ρευμάτων δευτερογενούς ροής, τα οποία έχουν φορά προς τα πάνω κοντά στα τοιχώματα του αγωγού και προς τα κάτω στο κέντρο του. Γίνεται αποτίμηση των τοπικών μετρήσεων της ταχύτητας με δεδομένα που αποκτήθηκαν κάτω από τις ίδιες πειραματικές συνθήκες και αφορούν βασικά χαρακτηριστικά της υγρής στοιβάδας καθώς και τη διατμητική τάση υγρού/ τοιχώματος αγωγού.Τα φάσματα συχνοτήτων των διαταραχών του πάχους υγρής στοιβάδας εμφανίζουν σημαντικές ομοιότητες με τα αντίστοιχα φάσματα της διατμητικής τάσης και της αξονικής ταχύτητας, γεγονός που φανερώνει την επίδραση των διεπιφανειακών κυμάτων στις συνθήκες ροής τόσο της υγρής φάσης στο τοίχωμα του αγωγού όσο και της αέριας φάσης κοντά στη διεπιφάνεια. Η επίδραση των κυμάτων είναι πιθανό να εκτείνεται μέχρι την κορυφή του αγωγού, διαμέσου της δευτερογενούς ροής στην αέρια φάση. Αντίθετα υπάρχουν ενδείξεις ότι η επίδραση κυμάτων με συχνότητα μεγαλύτερη από 5Hz μπορεί να μη γίνεται αισθητή στον πυθμένα του αγωγού, όταν αυτός καλύπτεται από στοιβάδα υγρού σχετικά μεγάλου πάχους.Τέλος στην εργασία αναπτύσσεται ένα απλό μονοδιάστατο μοντέλο πρόβλεψης της πτώσης πίεσης, της συγκράτησης του υγρού και της μέσης τιμής της διατμητικής τάσης στο τμήμα της περιφέρειας του αγωγού που διαβρέχεται από τη συνεχή υγρή φάση. Οι προβλέψεις της υπολογιστικής διαδικασίας είναι ικανοποιητικές και εκτιμάται ότι το μοντέλο μπορεί να συμβάλλει τόσο στην αντιμετώπιση πρακτικών προβλημάτων όσο και στην παραπέρα συστηματική έρευνα της οριζόντιας διφασικής ροής.