Υπολογιστική διερεύνηση διφασικής ροής σε βαθμίδες χαμηλής πίεσης ατμοστροβίλων

Abstract

Στην συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε ένα πλήθος υπολογισμών με στόχο την διερεύνηση και την ανάλυση της επίδρασης που έχει στο ροϊκό πεδίο, στο βαθμό απόδοσης και στις συνθήκες λειτουργίας του ατμοστροβίλου, η παρουσία διφασικής ροής που δεν βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία (thermal non-equilibrium). Οι υπολογισμοί έγιναν με την χρήση του κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής ANSYS-CFX για την επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes σε μία μορφή Reynolds-averaged, με τη χρήση κατάλληλου μοντέλου τύρβης στις τρισδιάστατες περιοχές των περασμάτων της ροής ανάμεσα στα πτερύγια, καθώς και μοντέλου συμπύκνωσης και σταγονοποίησης του ατμού. Ο κύριος σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση πραγματικού ατμοστροβίλου χαμηλής πίεσης που βρίσκεται σε λειτουργία και η ευρύτερη και σε βάθος κατανόηση των φυσικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα λόγω της εμφάνισης σταγονιδίων νερού μέσα στην ροή και της δημιουργίας με αυτό τον τρόπο υγρού ατμού. Αρχικά περιλαμβάνεται εκτεταμένη αναφορά στην υπάρχουσα βιβλιογραφία, στους νόμους και στις θεωρίες που διέπουν τα φαινόμενα προς μελέτη, καθώς και σε παλιότερες επιστημονικές εργασίες άλλων ερευνητών. Μετά, στα πλαίσια πιστοποίησης της εγκυρότητας του προγράμματος που χρησιμοποιήθηκε, πραγματοποιήθηκε σειρά υπολογιστικών εξομοιώσεων μιας πραγματικής γεωμετρίας πτερυγίων στροβίλου. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε η γεωμετρία του πτερυγίου VKI – RS1S του Von Karman Institute για την οποία κατασκευάστηκαν ψηφιακή γεωμετρία, πλέγματα και έγιναν προσομοιώσεις, όλα με τέτοιο τρόπο ώστε να αναπαράγουν τα βήματα υπάρχουσας πειραματικής εργασίας που αποτέλεσε το σημείο αναφοράς. Στη συνέχεια η μελέτη στράφηκε στο πραγματικό πρόβλημα. Ο ατμοστρόβιλος χαμηλής πίεσης που επιλέχθηκε να μοντελοποιηθεί και να αναλυθεί ήταν αυτός της δεύτερης μονάδας του Α.Η.Σ. Πτολεμαΐδας. Για αυτόν κατασκευάστηκαν εξ’ ολοκλήρου από την αρχή όλες οι γεωμετρίες των πτερυγίων του σε ψηφιακή μορφή, καθώς και τα αντίστοιχα υπολογιστικά πλέγματα. Τρεις είναι οι κύριες περιπτώσεις ροών που προσομοιώθηκαν. Στην πρώτη περίπτωση θεωρήθηκε ότι το ρευστό που διέρχεται από τον στρόβιλο είναι καθαρός, ξηρός, υπέρθερμος ατμός και έγιναν πολλές δοκιμές συνθηκών λειτουργίας. Στην δεύτερη περίπτωση προστέθηκε μοντέλο πυρηνοποίησης και συμπύκνωσης του ατμού, με την παράλληλη χρήση του μοντέλου Euler για την περιγραφή του ροϊκού πεδίου. Τέλος πραγματοποιήθηκαν και μελέτες με τη χρήση του μοντέλου Lagrange, όπου υπήρξε ψεκασμός σταγονιδίων νερού διαφόρων διαμέτρων μέσα στην ροή του ξηρού ατμού, με ταυτόχρονη χρήση εμπειρικού μοντέλου διάβρωσης για τις επιφάνειες του στροβίλου. Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων επετεύχθητε η διεξαγωγή συμπερασμάτων για την θερμοδυναμική επίδραση της υγροποίησης του ατμού στα φυσικά φαινόμενα που διέπουν την ροή μέσα στο στρόβιλο, καθώς και στην απόδοση αυτού. Ενώ παράλληλα εντοπίστηκαν τα σημεία πυρηνοποίησης του ατμού και έγινε μια πρόβλεψη για τα σημεία εμφάνισης φθοράς στις διάφορες επιφάνειες του στροβίλου.