Geri Dön

Analysis of non-boiling gas-liquid two-phase flow through flow components: Experimental investigation and numerical modelling

Akış elemanlarında kaynamasız hava-su iki fazlı akışının analizi: deneysel inceleme ve sayısal modelleme

PDF İndir

  1. Tez No: 844107
  2. Yazar: ERGİN KÜKRER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NURDİL ESKİN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 168

Özet

Günümüzde gaz-sıvı iki fazlı akışlar ile nükleer reaktörler ve uygulamaları, enerji üretim prosesleri, kimyasal prosesler, petrol ve gaz taşıma hatları, ısı eşanjörleri, iklimlendirme sistemleri gibi endüstride kullanılan pek çok farklı mikro ve makro uygulamada karşılaşılmaktadır. Bu endüstriyel uygulamaların bir parçası olan ve akışın gerçekleştiği, akış elemanları olarak adlandırabileceğimiz bölümler ise düz borular, dirsekler, bağlantı ve birleşim parçaları, t-birleşimler, orifisler, kollektörler vb. gibi farklı ve karmaşık geometrilerden oluşmaktadır. Bu karmaşık geometrilerde gelişen iki fazlı akışları anlamak ve modellemek, sistem parametreleriyle doğrudan ilgili olduğu için halen güncelliğini koruyan ve zorlu bir mühendislik problemidir. Bir akış elemanı ve buna bağlı olarak sistemin ve akış karakteristiğine ait özeliklerin doğru tespit edilmesi, hem tasarım şartları, hem de operasyonel açıdan çok önemlidir. İki fazlı akışlarda sistem parametreleri de akış rejimleri ile birlikte değişiklik gösterdiğinden, akış rejiminin ve özellikle fazların yerel karakteristik özeliklerinin belirlenmesi esastır. Bu çalışmanın amacı farklı akış elemanlarında hava-su iki fazlı akışlarını deneysel inceleme ve bunu takiben gelişmiş sayısal modelleme yöntemleri kullanarak, kapsamlı olarak incelemektir. Böylece, endüstride pek çok farklı uygulamada görülebilen bu karmaşık ancak kritik akışkanlar dinamiği problemine bir ışık tutulması hedeflenmiştir. Tez kapsamında hava-su iki fazlı akışı, İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi'nde bulunan Hidrolik Laboratuvarı'nda kurulan deney düzeneğinde deneysel olarak incelenmiştir. Deneyde iki fazlı akış, iç çapı 40 mm olan yaklaşık 15 m uzunluğundaki akrilik şeffaf borularda gerçekleşmektedir. İki fazlı akışın sağlandığı bölümler enjektör, üst akım (upstream), test (U-bend) ve alt akım (downstream) bölümleri olmak üzere dört farklı başlık altında ayrı ayrı değerlendirilerek daha detaylı incelenme sağlanmıştır. İki fazlı akış koşulları, bir tank içerisinden pompa ile sağlanan 180 l/dak hacimsel debisindeki su akışına, tasarlanan bir dairesel enjektör yardımı ile üç farklı hacimsel debide (30, 35 ve 40 l/dak) hava enjekte edilmesi ile oluşturulmuştur. Dairesel enjektör, akış kesiti boyunca dairesel olarak eşit aralıklı yerleştirilmiş 16 adet 2 mm iç çapındaki delikten hava üflenmesi prensibiyle çalışmaktadır. Hava, suyun pompa çıkışından 8.5 m sonra enjekte edilmiş ve bu sayede su akışının enjektöre kadar hidrodinamik olarak gelişimini tamamlaması sağlanmıştır. Enjektör bölümünden sonra gelen alt akım bölümü, test bölümünden önce hava-su iki fazlı akış gelişiminin gözlemlendiği 1,5 m uzunluğunda yatay bir bölümdür. Alt akımına ardından gelen test bölümü ise, yukarı ve aşağı doğru iki 90 derecelik dirsek ile bir dikey 180 derecelik dönüş dirseğinin (U-bend) birleşiminden oluşan benzersiz bir geometriye sahiptir. Bu sayede hava-su akışı, bu benzersiz geometride hem yatay/dikey hem de aşağı/yukarı yönelimli dirsekler için modellenmiş ve sonuçlan irdelenmiştir. Tüm deney bölümleri, iki faz karakteristiklerine ait ölçümler ve fark basınç ölçümlerini yapabilmek için belirli ölçüm noktaları ve portlara sahiptir. Enjektör bölümünde 1, alt akım kanalında 4, U-bend bölümünde 4 ve üst akım bölümünde 2 olmak üzere toplamda 11 ölçüm bölümü mevcuttur. Bu ölçüm bölümlerinde de 45°'lik açılarla boru kesiti boyunca açılmış yerel ölçüm portları bulunmaktadır. Bu ölçüm noktalarında yerel boşluk oranı, birim zamanda tespit edilen kabarcık sayısı gibi iki fazlı akış karakteristiklerine ait özelikleri ölçmek için safir uçlu gelişmiş bir optik prob kullanılmıştır. Optik probun safir uçları 45°'lik yerel ölçüm portlarından borunun içerisine daldırılarak, kanal kesiti boyunca akışa dik olarak ölçüm yapılmıştır. İki fazlı akış karakteristiklerine ek olarak fark basıncı ölçümleri de gerçekleştirilmiştir. Fark basıncı ölçümleri her deney bölümünün başında ve sonunda borunun en alt kısmından ölçülmüştür. Bunun sebebi kabarcıkların blokaj etkisi yaratarak basınç ölçümlerinde hataya yol açmasını engellemektir. Deneyde kullanılan tüm ölçüm aletlerinin kalibrasyonu, ölçüm aralıkları ve deney belirsizlikleri hesaplanmış ve ayrıntılı olarak deney tesisatı başlığı altında ele alınmıştır. Deney sonuçları her deney bölümü için (enjektör, alt akım, U-bend ve üst akım) ayrı ayrı ele alınmış ve sunulmuştur. İlk olarak fark basıncı sonuçları ölçülmüş, değerlendirilmiş ve hacimsel hava debisine göre parametrik olarak sunulmuştur. Sonuçlarda, enjektör bölümünün önemli ölçüde basınç kaybına yol açtığı tespit edilmiştir. Enjektörde basınç kaybının birim uzunluk başına 12 kPa/m ila 20 kPa/m olduğu görülmüştür. Bunun yanı sıra, alt ve üst akım bölümünde basınç kayıplarının yüksek olmadığı ve basınç düşüşlerinin temel olarak sürtünme kaynaklı olduğu görülmüştür. U-bend bölümü ise, beklentilerle uyumlu olarak, en yüksek basınç düşüşünün olduğu yer olarak değerlendirilmiştir. Basınç kayıplarının yanı sıra, ikili optik prob ile yapılan ölçümler de her bölge için ayrı ayrı sunulmuştur. Yerel boşluk oranı ve birim zamanda tespit edilen kabarcık sayısı değerleri alınan noktalardaki verilerin analiz edilip kesit boyunca mapped grafikler oluşturulması ile daha görsel hale getirilmiştir. Buna ek olarak, yarıçap boyunca eksenel değişimi görmek adına boşluk oranının kesitlerdeki eksenel dağılımları da incelenmiştir. Buna göre, enjektör bölümünde kabarcıkların dairesel olarak dağıldığı; alt akım bölümünde iki fazlı akışın gelişim göstererek kabarcıkların çeperin yukarısında bir yay çizerek toplandığı görülmüştür. Bu durum, tespit edilen akış rejimi olan tıkaç akış karakteristiğine de uygundur. Yukarı yönlü dirsek bölümüne gelindiğinde, kümelenen kabarcıkların yoğunluk farkı ve dolayısıyla üzerine etkiyen gövde kuvvetleri ve dirsekten dolayı oluşan basınç gradyanları farkı nedeniyle parçalandığı ve tekil olarak (Taylor kabarcıkları) kesitin orta kısmına doğru ilerlediği gözlenmiştir. Aşağı yönlü akışta ise, su fazının hızlanması ve kabarcıkları dönüşe göre iç yarıçap çeperinde sıkıştırması sonucunda bir hava fazı yığılması görülmüştür. Hızlanan su fazı, U-bend'in bitiminde önemli bir çalkantı ve buna bağlı türbülans meydana getirmiş ve yerel bir çalkantılı akış rejimi oluşturmuştur. Ancak üst akımın başlarında etkili olan bu türbülans, akış ilerledikçe etkisini kaybetmiştir. Çalışma ayrıca sayısal bir modelin ayrıntılı bir şekilde geliştirilmesini ve doğru­lanmasını, ardından tanımlanan iki faz karakteristiğine ait özeliklerin derinlemesine analizini içermektedir. Sayısal model ANSYS Fluent 2019 R3 programında geliştirilmiştir. Modelde her faz için ayrı denklemler kullanan ve Ayrılmış Akış Modeli'ne dayanan Eulerian-Eulerian yaklaşımı kullanılmıştır. Faz ve fazlar arası etkileşimler için“Drag”ve“Non-drag”kuvvetleri de içeren alt modeller de ayrı denklemler olarak tanımlanmış ve çözdürülmüştür. Sayısal modelden alınan sonuçlar deneysel sonuçlar ile kıyaslanmış ve doğrulanmıştır. Doğrulama, sayısal model ile deneysel sonuçlar arasında yüksek uyum olduğunu ve sapmaların kabul edilebilir olarak ölçüm belirsizlikleri seviyesinde olduğunu göstermiştir. Doğrulanan modelden alınan sonuçlar da ayrı bir başlık altında sunulmuştur ve yorumlanmıştır. Deneysel ve sayısal incelemeler içeren bu kapsamlı çalışma, bütün bir akış sistemi içerisindeki bir U-bend kesitine özel olarak odaklanarak iki fazlı hava-su akış dinamikleri hakkında değerli bilgiler sunmaktadır. Bulgular, bu tür geometrilerdeki iki fazlı akışların karmaşıklığını teyit etmekle kalmayıp, aynı zamanda akış davranışlarını doğru bir şekilde tahmin etmede mevcut modellerin sınırlamalarını da vurgulamaktadır. Bu tür karmaşık iki fazlı uygulamalarda, doğru ve mühendislik açısından uygun sonuçlar elde etmek için, dirsek gibi yalnızca belirli bir bölümü analiz etmekten veya yüzeysel faz hızlarına göre haritalardan akış rejimlerini belirlemekten daha fazlasının gerektiği sonucu çıkartılmıştır. Bunun yerine, geometrinin neden olduğu yerel akış karakteristiklerinin ve buna bağlı rejim değişikliklerini tanımlamak için bütüncül bir yaklaşım kullanılmalıdır. Bu çalışmada sunulan sonuçlar, farklı akış elemanlarındaki iki fazlı akış uygulamaları için deneysel, sayısal ve fiziksel bilgiler sağlamakta ve endüstrideki pratik uygulamalarda yaygın olarak kullanılan farklı boru sistemleri ve dirseklere yönelik bulguları ele alabilecek ileri çalışmalara yol göstermektedir.

Özet (Çeviri)

Today, gas-liquid two-phase flows are encountered in many different micro and macro applications used in industry, such as nuclear reactors and applications, power generation processes, chemical processes, oil and gas transport lines, heat exchangers, and air conditioning systems. The components of these industrial applications where the flow takes place, which we can call flow components, consist of different and complex geometries such as straight pipes, elbows, fittings, tees, junctions, orifices, collectors, etc. Understanding and modeling the two-phase flows that develop in these complex geometries is a challenging engineering problem that is still up to date, as it is directly related to the system parameters. Precise determination of the characteristics of a flow element, and hence of the system and flow characteristics, is critical both from a design and operational point of view. Since the system parameters vary with the flow regimes in two-phase flows, it is essential to determine the flow regime and, in particular, the local characteristics of the phases. The aim of this study is to establish a comprehensive investigation of air-water two-phase flows through flow components, employing both an intense experimental investigation and advanced numerical modeling to provide insight into this complex but critical fluid dynamics problem. In this context, air-water two-phase flow was experimentally investigated in the experimental setup located in the Hydraulics Laboratory at Istanbul Technical University, Faculty of Mechanical Engineering. In the setup, the flow takes place in approximately 15 m long acrylic pipes with an inner diameter of 40 mm as a cycle. The piping system was investigated under four different sections, which are injector, upstream, test (U-bend), and downstream sections. Two-phase flow conditions were established through the 40 mm diameter pipe with 180 l/min water and 30, 35 and 40 l/min air flow rates by the designed circular injector. The air is injected into the water flow 8.5 m after the pump outlet at the injector section, which ensures the single-phase water is fully developed up to this point. The upstream section after the injector section is a 1.5-m-long horizontal section where the air-water flow development is observed before the test section. The test section consists of a unique geometry that is a combination of two upward and downward 90-degree elbows and one vertical 180-degree return bend. All experimental sections have specific measuring points and ports to measure the selected two-phase characteristics and differential pressure values. In this regard, an advanced optical probe with sapphire tips was used to measure two-phase flow characteristics, such as local void fractions and the number of bubbles detected per unit time. For pressure, differential pressure measurements were made employing calibrated pressure transducers in the pre-defined sections for the given experimental conditions. The calibration, measuring ranges, and uncertainties of all devices are elaborately investigated and addressed under the experimental setup section. The experimental results are presented for each section separately. Initially, the results of the differential pressure measurements are interpreted parametrically for the concerning airflow rates. Then, the local two-phase flow characteristics are visualized by plotting highly refined mapped graphs along the cross-section to explain better the measurements taken. The study also involves a detailed development and validation of a numerical model, followed by an in-depth analysis of the defined two-phase characteristics. The numerical model was developed in ANSYS Fluent 2019 R3. The Eulerian-Eulerian approach was used in the computational model, which employs individual equations for each phase. Sub-models for phase and interphase interactions are also employed regarding drag and non-drag force models. The numerical model developed for simulating two-phase flow in the complex geometry was rigorously validated against experimental data. The validation indicated high agreement between the numerical model and experimental results, with deviations within acceptable uncertainty levels. With experimental and numerical investigation, this comprehensive study provides valuable insights into two-phase air-water flow dynamics, with a particular focus on a U-bend section within the flow system. The findings not only confirm the complexity of two-phase flows in such geometries but also highlight the limitations of existing models in accurately predicting flow behaviors. In such complex two-phase applications, it has been observed that modeling requires more than simply analyzing the bend or determining flow regimes in terms of superficial velocities from flow regime maps. Instead, a holistic approach must be employed to identify local flow regime modifications caused by geometry, resulting in accurate and complete flow regime determination. The presented results provide implications for future applications and assist further studies that can address the findings for different piping systems and elbows commonly used in practical applications in the industry under various design conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    356029

    İç Akışta Kaynamanın Sayısal Modellenmesi

    Numerical Modelling of Internal Boiling Flow

    ÜNSAL KAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ

  2. Tez No

    381898

    Zorlanmış salınımlı dikey akışta gözenekli ortamın ısı geçişine etkisinin deneysel incelenmesi

    Experimental investigations on the effect of porous media on heat transfer from vertical forced oscillated fluid flow

    ESRA KEŞAF

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    ÖĞR. GÖR. ERSİN SAYAR

  3. Tez No

    66571

    Sıkıştırılmış sıvı kaynaması

    Subcooled boiling

    ZEHİR FATİH ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞARMAN GENÇAY

  4. Tez No

    419040

    Kanal içinde yoğuşmanın sayısal modellenmesi

    Numerical modelling of condensation in channel flow

    MUTLU İPEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU

  5. Tez No

    510985

    Enjeksiyon döküm kalıplarına uygulanan farklı kaplamaların kalıp ömrüne etkisi

    Effect of different coatings applied to injection casting molds on mold life

    AHMET TURAN KARAOĞLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN

Geri Dön