ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 3D ΡΟΗΣ ΣΕ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΚΛΕΙΣΤΟ ΑΓΩΓΟ EXPERIMENTAL AND 3D COMPUTATIONAL FLOW ANALYSIS IN Α LABORATORY PIPE

Σχετικά έγγραφα
Διδακτορική Διατριβή Α : Αριθμητική προσομοίωση της τρισδιάστατης τυρβώδους ροής θραυομένων κυμάτων στην παράκτια ζώνη απόσβεσης

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΡΕΥΣΤΩΝ. Αγωγός Venturi 1η εργαστηριακή άσκηση. Βλιώρα Ευαγγελία

Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών. Εργασία 1 η : Πτώση πίεσης σε αγωγό κυκλικής διατομής

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1 η & 2 η : ΟΡΙΑΚΟ ΣΤΡΩΜΑ

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΠΙΚΑΘΙΣHΣ ΣΤΑΓΟΝΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΑΠΕΛΕΥΘΕΡΩΣΗΣ ΦΑΡΜΑΚΟΥ ΣΤΗΝ ΡΙΝΙΚΗ ΚΟΙΛΟΤΗΤΑ

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΛΗΜΜΥΡΙΚΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ VOF COMPUTATIONAL ANALYSIS IN FLOODING WAVES USING VOF MODEL

ΑΓΩΓΟΣ VENTURI. Σχήμα 1. Διάταξη πειραματικής συσκευής σωλήνα Venturi.

Προσομοίωση Πολυφασικών Ροών

ΑΓΩΓΟΣ VENTURI. Σχήμα 1. Διάταξη πειραματικής συσκευής σωλήνα Venturi.

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ στο µάθηµα των Υδροδυναµικών Μηχανών Ι

1 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: ΟΡΙΑΚΟ ΣΤΡΩΜΑ ΜΕΛΕΤΗ ΣΤΡΩΤΟΥ ΟΡΙΑΚΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΕΠΑΝΩ ΑΠΟ ΑΚΙΝΗΤΗ ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΕΠΙΠΕΔΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ

PP οι στατικές πιέσεις στα σημεία Α και Β. Re (2.3) 1. ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΚΑΙ ΣΚΟΠΟΣ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ

ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΜΑΘΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΡΕΥΣΤΩΝ

Κινηματική ρευστών. Ροή ρευστού = η κίνηση του ρευστού, μέσα στο περιβάλλον του

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΡΕΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Α.Μ.Β.Υ. ΛΟΓΩ ΙΞΩΔΩΝ ΤΡΙΒΩΝ ΣΕ ΡΟΕΣ ΥΠΟ ΠΙΕΣΗ

5 Μετρητές παροχής. 5.1Εισαγωγή

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΡΕΥΣΤΩΝ. Πτώση πίεσης σε αγωγό σταθερής διατομής 2η εργαστηριακή άσκηση. Βλιώρα Ευαγγελία

2g z z f k k z z f k k z z V D 2g 2g 2g D 2g f L ka D

Εργαστηριακή άσκηση: Σωλήνας Venturi

ΜΕΛΕΤΗ ΤΥΡΒΩΔΟΥΣ ΡΟΗΣ ΑΝΕΜΟΥ ΣΕ ΦΥΣΙΚΗ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ

Υπολογισμός Παροχής Μάζας σε Αγωγό Τετραγωνικής Διατομής

Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών

ΥΔΡΑΥΛΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΡΟΗ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΚΛΕΙΣΤΟ ΑΓΩΓΟ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ II

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΟΡΜΗΣ ΡΕΟΛΟΓΙΑ. (συνέχεια) Περιστροφικά ιξωδόμετρα μεγάλου διάκενου.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΦΥΣΑΛΙΔΩΝ ΑΠΟ μ-σωληνα ΣΕ ΜΗ ΝΕΥΤΩΝΙΚΟ ΡΕΥΣΤΟ

Εργαστήριο Μηχανικής Ρευστών. Εργασία 2 η Κατανομή πίεσης σε συγκλίνοντα αποκλίνοντα αγωγό.

ΣΥΣΚΕΥΗ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΙΞΩΔΟΥΣ ΥΓΡΩΝ

κατά το χειµερινό εξάµηνο του ακαδηµαϊκού έτους ΕΜ-351 του Τµήµατος Εφαρµοσµένων Μαθηµατικών της Σχολής Θετικών

Υδραυλικός Υπολογισμός Βροχωτών Δικτύων

υδροδυναμική Σταθερή ασυμπίεστη ροή σε αγωγούς υπό πίεση

υδροδυναμική Σταθερή ασυμπίεστη ροή σε αγωγούς υπό πίεση

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΡΕΥΣΤΩΝ. Φυγοκεντρική αντλία 3η εργαστηριακή άσκηση. Βλιώρα Ευαγγελία

Υδροδυναμική. Σταθερή ασυμπίεστη ροή σε αγωγούς υπό πίεση: Στρωτή και τυρβώδης ροή Γραμμικές απώλειες

Εξοπλισμός για την εκπαίδευση στην εφαρμοσμένη μηχανική Υπολογισμός της τριβής σε σωλήνα

Εργαστήριο Τεχνολογίας Χημικών Εγκαταστάσεων. Τμήμα Χημικών Μηχανικών, ΑΠΘ, Τ.Θ. 455, 54124, Θεσσαλονίκη, Ελλάδα.

ΠΑΡΑ ΟΤΕΟ ΥΠΟΕΡΓΟΥ 04. " Εκπαίδευση Υποστήριξη - Πιλοτική Λειτουργία "

ΦΥΣΙΚΗ -ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ ΚΑΙ ΓΕΩΡΓΙΑ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 7-9

ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΑΝΟΙΚΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ

Υποστηρικτικό υλικό για την εργασία «Πειραματική διάταξη για τη μελέτη της ροής ρευστού σε σωλήνα» του Σπύρου Χόρτη.

2 Μετάδοση θερμότητας με εξαναγκασμένη μεταφορά

Ορμή και Δυνάμεις. Θεώρημα Ώθησης Ορμής

ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΑΝΟΙΧΤΩΝ ΚΑΙ ΚΛΕΙΣΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ

ΕΝΟΤΗΤΑ 1: ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΑΓΩΓΩΝ ΥΠΟ ΠΙΕΣΗ Άσκηση 1 (5.0 μονάδες). 8 ερωτήσεις x 0.625/ερώτηση

ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΑΝΟΙΚΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ

Ρευστομηχανική. Γεώργιος Γκαϊντατζής Επίκουρος Καθηγητής. Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής & Διοίκησης Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης

ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΑΥΤΗΣ

Σημειώσεις Εγγειοβελτιωτικά Έργα

v = 1 ρ. (2) website:

ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΑΝΟΙΚΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ

h 1 M 1 h 2 M 2 P = h (2) 10m = 1at = 1kg/cm 2 = 10t/m 2

ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΑΥΤΗΣ

Υπενθύµιση εννοιών από την υδραυλική δικτύων υπό πίεση

Να υπολογίσετε τη μάζα 50 L βενζίνης. Δίνεται η σχετική πυκνότητά της, ως προς το νερό ρ σχ = 0,745.

Απώλειες φορτίου Συντελεστής τριβής Ο αριθμός Reynolds Το διάγραμμα Moody Εφαρμογές

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΑΖΑΣ ΣΕ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΣΠΕΙΡΟΕΙ ΟΥΣ ΜΟΡΦΗΣ: Η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ Sc.

Σχεδιασμός και ανάλυση δικτύων διανομής Υπολογισμός Παροχών Αγωγών

Απλοποίηση υπολογισμών σε σωλήνες υπό πίεση

Εισαγωγή στη μόνιμη ομοιόμορφη ροή Ροή σε αγωγούς υπό πίεση

ΡΟΗ ΑΕΡΑ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΚΥΛΙΝΔΡΟ

ΑΕΡΟ ΥΝΑΜΙΚΗ ΕΡΓ Νο2 ΡΟΗ ΑΕΡΑ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΚΥΛΙΝ ΡΟ

Διαγώνισμα Φυσικής Γ Λυκείου ~~ Ρευστά ~~

Διαγώνισμα Φυσικής Γ Λυκείου 5/3/2017

Εκχε Εκχ ιλισ λ τές λεπτής στέψεως στέψεως υπερχει ρχ λιστής ής φράγματ γμ ος Δρ Μ.Σπηλιώτης Σπηλ Λέκτορας

ΠΣΤΥΙΑΚΗ ΔΡΓΑΙΑ. Μειέηε Υξόλνπ Απνζηείξσζεο Κνλζέξβαο κε Τπνινγηζηηθή Ρεπζηνδπλακηθή. Αζαλαζηάδνπ Βαξβάξα

ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΑΠΟΘΗΚΗΣ (I.C.S) ΜΕ ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΑΝΑΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ

6 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΣΥΝΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

ΥΔΡΑΥΛΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΕ ΣΩΛΗΝΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΕ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ ΡΟΗΣ

ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΣΤΗΝ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΡΕΥΣΤΩΝ

6 Εξαναγκασμένη ροή αέρα

ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΤΡΙΒΗΣ

Εφαρμοσμένη Υδραυλική. ΕΔΙΠ, Τμήμα Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών, ΑΠΘ

Θυρόφραγµα υπό Γωνία

Ανάθεση εργασίας για το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος «Μηχανική των Ρευστών»

website:

Ρευστoμηχανική Εισαγωγικές έννοιες. Διδάσκων: Άλκης Παϊπέτης Αναπληρωτής Καθηγητής Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών

μία ποικιλία διατομών, σε αντίθεση με τους κλειστούς που έχουμε συνήθως κυκλικές διατομές).

ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΡΕΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ

Σχεδιασμός και ανάλυση δικτύων διανομής Υδραυλικές αρχές Υδραυλικός Υπολογισμός ακτινωτών δικτύων

. Υπολογίστε το συντελεστή διαπερατότητας κατά Darcy, την ταχύτητα ροής και την ταχύτητα διηθήσεως.

Διατήρηση της Ύλης - Εξίσωση Συνέχειας

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΥΡΒΩΔΟΥΣ ΡΟΗΣ ΣΕ ΔΕΞΑΜΕΝΗ ΑΝΤΛΗΣΗΣ ΘΑΛΑΣΣΙΟΥ ΥΔΑΤΟΣ ΨΥΞΗΣ

Δ Ε Υ Α Ρ ΔΗΜΟΤΙΚΗ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΗ ΥΔΡΕΥΣΗΣ ΑΠΟΧΕΤΕΥΣΗΣ ΔΗΜΟΥ ΡΟΔΟΥ ΤΕΥΧΟΣ 11 ΥΔΡΑΥΛΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΥΔΡΕΥΣΗΣ - ΑΡΔΕΥΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΕΡΓΟΥ:

ΟΡΙΑΚΟ ΣΤΡΩΜΑ: ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ. Σημειώσεις. Επιμέλεια: Άγγελος Θ. Παπαϊωάννου, Ομοτ. Καθηγητής ΕΜΠ

Θέρµανση Ψύξη ΚλιµατισµόςΙΙ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 11 ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

Αναλύσεις πλημμυρικών δεδομένων

ΑΣΚΗΣΗ ΤΜΘΕ ΕΡΓ : Χρήση θερμοανεμομετρίας για μέτρηση ταχύτητας σε τυρβώδη ροή και στο απόρευμα κυκλικού κυλίνδρου.

ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΥΠΕΡΚΡΙΣΙΜΗΣ ΡΟΗΣ ΣΕ ΑΝΟΙΧΤΟ ΑΓΩΓΟ ΜΕ ΠΛΕΥΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΡΑΧΥΤΗΤΑΣ

ΥδροδυναµικέςΜηχανές

I.2. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΕΡΟΣΗΡΑΓΚΑ. I.2.a Εισαγωγή

ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΑ ΥΠΟ ΘΛΙΨΗ ΚΑΙ ΚΑΜΨΗ

(Μαθιουλάκης.) Q=V*I (1)

Στο διπλανό σχήμα το έμβολο έχει βάρος Β, διατομή Α και ισορροπεί. Η δύναμη που ασκείται από το υγρό στο έμβολο είναι

ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΔΙΑΤΗΡΗΤΙΚΟΥ ΡΥΠΟΥ ΣΕ ΑΝΟΙΚΤΟ ΑΓΩΓΟ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΙΙ-ΜΟΝΑΔΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΡΕΥΣΤΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ

Τα στάδια της υπολογιστικής προσομοίωσης επεξήγονται αναλυτικά παρακάτω

ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΑΝΟΙΚΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ

Transcript:

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 3D ΡΟΗΣ ΣΕ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΚΛΕΙΣΤΟ ΑΓΩΓΟ Νικόλαος Α. Αλεξίου, Ιωάννης Β. Σούλης, Δημήτριος Κ. Φυτανίδης Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Δημοκρίτειον Πανεπιστήμιο Θράκης, 67100, Ξάνθη Τηλ. +30 25410 79321, e-mail: nalexiou@civil.duth.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Πραγματοποιήθηκε πειραματική και αριθμητική διερεύνηση της ροής σε κλειστούς αγωγούς, σε εργαστηριακή κλίμακα με χρήση αυτοματοποιημένων μεθόδων μέτρησης στατικών πιέσεων και με τεχνικές Υπολογιστικής Μηχανικής Ρευστών. Η διάταξη των κλειστών αγωγών περιλαμβάνει: α) έναν αγωγό τύπου Venturi, β) μία στροφή αγωγού κατά 180.0ο και γ) ένα διάφραγμα. Οι μετρήσεις έγιναν με χρήση αισθητήρων πίεσης Kistler και ηλεκτρονικής καταγραφής μετρήσεων με το πρόγραμμα LabView. Η προσομοίωση της ροής πραγματοποιήθηκε με χρήση του επιλυτή της ANSYS Fluent 14.0. Η διατμητική ροή περιγράφθηκε με χρήση των ReynoldsAveraged Navier-Stokes (RANS) εξισώσεων με διάφορα μοντέλα τύρβης ενώ η σύγκριση με τις μετρήσεις ήταν ικανοποιητική για τις παραδοχές της ροής. EXPERIMENTAL AND 3D COMPUTATIONAL FLOW ANALYSIS IN Α LABORATORY PIPE Nikolaos A. Alexiou, Johannes V. Soulis, Dimitrios K. Fytanidis Civil Engineering Department, Demokrition University of Thrace, 67100, Xanthi, Hellas Τel.:+302541079321, e-mail: nalexiou@civil.duth.gr ABSTRACT In this paper, the experimental and computational flow analysis in a laboratory scale pipe is investigated using automated methods for static pressure measurements and Computational Fluid Dynamics techniques. The experimental rig consists of a laboratory pipeline equipped with, a) Venturi apparatus, b) 180.0 o pipe turn and c) pipediaphragm. Measurements were conducted using pressure transducers Kistler with the aid of the software measuring system Labview. The numerical simulation was carried out using the ANSYS Fluent 14.0 solver Τhe shear flow was modeled using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) flow equations, coupled with various turbulence models, while the comparison with the measured data was satisfactory within the assumptions made about the flow. 1

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η μελέτη των ροών εντός κλειστών αγωγών αποτελούσε ανέκαθεν αντικείμενο μελέτης λόγω του μεγάλου εύρους των εφαρμογών και τεχνικών έργων που βασίζονται σε αυτούς. Ανεξάρτητα του ρευστού του οποίου η ροή εξετάζεται, οι ιδιότητες της ροής όπως ταχύτητα, πίεση κτλ. παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον για τον σχεδιασμό και την μελέτη συστημάτων μεταφοράς ροής εντός κλειστών αγωγών. Στην βιβλιογραφία είναι διαθέσιμο ένα πλήθος εργασιών οι οποίες αφορούν στη ροή ρευστών εντός κλειστών αγωγών τόσο σε πειραματικό όσο και σε αριθμητικό επίπεδο. Στην πειραματική διερεύνηση της ροής εντός κλειστών αγωγών ενδεικτικά αναφέρονται οι εργασίες των Barre et al. (2009) στην οποία πραγματοποιήθηκε πειραματική και υπολογιστική ανάλυση προκειμένου να διερευνηθεί το φαινόμενο της σπηλαίωσης, των Ghassemi και Fasih (2011) στην οποία μελετήθηκε η ροή ύδατος εντός αγωγού Venturi για διαφορετικές παροχές και συνθήκες πίεσης στα ανάντη του αγωγού, των Ozkan et al. (2006) στην οποία διερευνήθηκε η επιρροή που έχουν διαφορετικές χαρακτηριστικές διάμετροι ενός αγωγού Venturi στη διαφορά πιέσεων που αναπτύσσεται στα ανάντη και κατάντη αυτού, και πως αυτές οι διαφορές επηρεάζουν το κενό που δημιουργείται εντός του αγωγού εξαιτίας τους και των Xanthopoulos et al. (2011) όπου μελετήθηκαν οι πιέσεις που αναπτύσσονται σε έναν αγωγό Venturi λόγω της ροής αέρα στο εσωτερικό του τόσο πειραματικά όσο και αριθμητικά. Στην αριθμητική διερεύνηση των ροών έγιναν εργασίες από τους Rudman και Blackburn (1999) με την εφαρμογή της μεθόδου Large Eddy Simulation (LESΠροσομοίωση μεγάλων δίνων) σε κλειστό αγωγό κυλινδρικής διατομής, από τους Baylar et al. (2009) η εργασία των οποίων πραγματεύεται τη δυνατότητα αερισμού με τη χρήση αγωγού Venturi και από τους Ben-Mansour et al. (2012), οι οποίοι μελέτησαν υπολογιστικά την επίδραση μικρών, ελεγχόμενων διαρροών, στις πιέσεις που αναπτύσσονται σε κλειστό αγωγό. Τέλος, έχουν πραγματοποιηθεί εργασίες που χρησιμοποιούν αναλυτικούς τύπους προκειμένου να περιγράψουν τη ροή. Τέτοιες εργασίες, μεταξύ άλλων, είναι οι εργασίες των Jirkovsky και Muriel (2012) για την περιγραφή των παραβολικών προφίλ των ταχυτήτων σε κλειστούς αγωγούς, και του Brki (2012) όπου με χρήση της εξίσωσης Colebrook (1939) γίνεται εκτίμηση της υδραυλικής αντίστασης για τυρβώδεις ροές σε κλειστούς αγωγούς με λεία ή μη τοιχώματα. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται πειραματικά και υπολογιστικά η ροή σε κλειστούς αγωγούς, σε εργαστηριακή κλίμακα, με χρήση αυτοματοποιημένων μεθόδων μέτρησης στατικών πιέσεων και με τεχνικές Υπολογιστικής Μηχανικής Ρευστών 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ Η πειραματική διάταξη βρίσκεται στο Εργαστήριο Υδραυλικής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Δ.Π.Θ και αποτελείται από ένα κλειστό αγωγό με δύο κλάδους οι οποίοι έχουν μήκος περί τα 10.0 m έκαστος. Στον αγωγό παρεμβάλλονται τρεις διατάξεις: ένας σωλήνας Venturi, μία στροφή 180.0ο και ένα διάφραγμα. Κατά μήκος του αγωγού βρίσκονται 10 χαρακτηριστικά σημεία στα οποία μετράται η πίεση. Στο Σχήμα 1 φαίνεται το σχέδιο του αγωγού με αποτυπωμένα τα χαρακτηριστικά σημεία, ενώ στον Πίνακα 1 δίνονται οι αποστάσεις μεταξύ των σημείων. Στο Σχήμα 2 δείχνεται η γεωμετρία των επιμέρους τμημάτων του εργαστηριακού κλειστού αγωγού. 2

Σχήμα 1 Σχεδιάγραμμα εργαστηριακού κλειστού αγωγού. Διακρίνονται α) ο αγωγός Ventouri (θέση 5), β) η στροφή 180ο.0 (θέση αβγ) και γ) το διάφραγμα (θέση 9) α) β) γ) Σχήμα 2. Επιμέρους διατάξεις του κλειστού αγωγού. α) Ο αγωγός Ventouri, β) η στροφή 180ο.0 και γ) το διάφραγμα Η διάμετρος του αγωγού είναι 8.0 cm σε όλο το μήκος πλην των επιμέρους κατασκευών. Το συγκλίνον τμήμα του αγωγού Venturi έχει μήκος 16.0 cm. Η μεγάλη του διάμετρος ισούται με 8.0 cm, ενώ η μικρή (λαιμός) με 4.0 cm. Το αποκλίνον τμήμα του αγωγού Venturi έχει μήκος 33.0 cm. Το υλικό κατασκευής του αγωγού Venturi είναι ορείχαλκος πάχους 5.0 mm. Η διάμετρος του αγωγού στο τμήμα της στροφής είναι σταθερή και ίση (επίσης) με 8.0 cm. Η ακτίνα της στροφής είναι 8.0 cm (μετρημένη από την αρχή της στροφής έως το εσωτερικό τμήμα του αγωγού). Το διάφραγμα έχει διάμετρο 5.2 cm και πάχος 6.0 mm. Το υλικό κατασκευής του διαφράγματος και της στροφής είναι ανοξείδωτος χάλυβας πάχους 2.0 mm (όπως και ο υπόλοιπος αγωγός). 3

Πίνακας 1. Αποστάσεις μεταξύ των χαρακτηριστικών σημείων του αγωγού Χαρακτηριστικά σημεία, Σχήμα 1 Μεταξύ τους απόσταση(m) Π-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 0.80 0.24 3.77 0.82 0.16 1.02 1.12 5.18 0.98 0.035 Η γεωμετρία του εργαστηριακού κλειστού αγωγού, εξαιρούμενου του υδατόπυργου, σχεδιάσθηκε σε περιβάλλον CAD και στην συνέχεια εισήχθη στο πρόγραμμα πλεγματοποίησης ANSYS Meshing το οποίο εμπεριέχεται στην ANSYS Workbench 14.0. Το τελικό υπολογιστικό δίκτυο αποτελείται από 591560 κόμβους και 1802285 υπολογιστικά κελιά. Τα πλέγματα που δημιουργήθηκαν στις επιμέρους διατάξεις παρουσιάζονται στο Σχήμα 3. Είναι εμφανής η πύκνωση των κελιών στην περιοχή του αγωγού που βρίσκεται πλησίον των τοιχωμάτων ώστε να γίνει δυνατός ο ακριβέστερος υπολογισμός των διάφορων μεγεθών ροής κοντά στο τοίχωμα. 3. ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΔΟΧΕΣ Η ροή ύδατος εντός της πειραματικής διάταξης προσομοιώθηκε με χρήση τεχνικών Υπολογιστικής Μηχανικής Ρευστών. Χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των πεπερασμένων όγκων καθώς και οι αλγόριθμοι επίλυσης που εμπεριέχονται στον επιλυτή ANSYS Fluent 14.0. Έτσι, για την μοντελοποίηση της ροής χρησιμοποιήθηκαν οι Reynolds-Averaged Navier-Stokes εξισώσεις οι οποίες στην γενικότητα τους εκφράζονται ως: ρ ( ρ ui ) + = 0 t xi ( ρ ui ) t + ( ρ ui u j ) xj (3.1) = p ι ζ ui u j 2 ui φω + + δ ij ρ ui' u 'j + ρ gi κµ η χϊ + xi x j λκ ηθ x j xi 3 xi χψϊϋ x j ( ) (3.2) όπου ρ είναι η πυκνότητα, είναι η μέση ταχύτητα, p είναι η μέση στατική πίεση, μ το ιξώδες του ρευστού, είναι το δ του Kronecker, gi είναι η προβολή του διανύσματος της επιτάχυνση της βαρύτητας στον άξονα i και ρ ui'u 'j είναι οι τάσεις Reynolds. Οι τάσεις Reynolds πρέπει να υπολογιστούν με κάποιο μοντέλο τύρβης, προκειμένου να πραγματοποιηθεί το κλείσιμο της Εξίσωσης 3.2, δηλαδή να προκύψει ο ίδιος αριθμός εξισώσεων και αγνώστων. Για την προσομοίωση της τύρβης χρησιμοποιήθηκαν διάφορα μοντέλα τύρβης. Συνολικά, χρησιμοποιήθηκαν: α) το μοντέλο Standard k-ε, β) το μοντέλο Standard k-ω, γ) το μοντέλο Transition k-kl-ω, δ) το μοντέλο Transition SST, ε) το μοντέλο Reynolds Stress, στ) το μοντέλο Realizable k-ε, ζ) το μοντέλο SST k-ω και η) το μοντέλο SpalartAllmaras. Οι εξισώσεις και το θεωρητικό υπόβαθρο των εν λόγω μοντέλων δεν περιγράφονται στην παρούσα εργασία για λόγους οικονομίας χώρου, αναλύονται όμως διεξοδικά στο Theory Guide του επιλυτή ANSYS Fluent. Για την ζεύξη πίεσης και ταχύτητας χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος SIMPLE (Patankar 1980) ενώ για την χωρική διαφοροποίηση των υπολογισμών χρησιμοποιήθηκε το «πρώτης τάξης προς τα 4

πίσω σχήμα» (first order upwind scheme) για όλες τις εξισώσεις που επιλέχθηκαν. Για τον υπολογισμό των κλίσεων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος «Green-Gauss Cell Based», ANSYS Fluent. Οι παραπάνω εξισώσεις επιλύθηκαν με την παραδοχή ότι η ροή είναι τρισδιάστατη, ασυμπίεστη, τυρβώδης και ισόθερμη, ενώ η πυκνότητα του ύδατος τέθηκε ίση με 998.2 kg/m3. Το δυναμικό ιξώδες του ύδατος θεωρήθηκε ίσο με 0.001003 kg/m-s. α) β) γ) Σχήμα 3 Υπολογιστικά δίκτυα επιμέρους διατάξεων του κλειστού αγωγού. α) Αγωγός Ventouri, β) στροφή 180ο.0 και γ) διάφραγμα 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Για την πειραματική ανάλυση της διάταξης χρησιμοποιήθηκε ο αυτοματοποιημένος αλγόριθμος καταγραφής και επεξεργασίας του προγράμματος LabView της National Instruments. Χρησιμοποιήθηκαν αισθητήρες πίεσης (pressure transducers) της εταιρίας Kistler προκειμένου να μετρηθεί η στατική πίεση του ύδατος σε διάφορα σημεία ενδιαφέροντος, σημεία 1 έως 10 στο Σχήμα 1. Οι αισθητήρες μετρούν την τάση η οποία μετατρέπεται σε ύψος ύδατος εντός του εικονικού οργάνουvirtual Instrument VI του LabView. Αξίζει να σημειωθεί ότι έγινε σύγκριση των ενδείξεων των αισθητήρων με μετρήσεις που ελήφθησαν από μανόμετρα στήλης ύδατος. Η σύγκριση αυτή ήταν επιτυχής αφού η μέγιστη διαφορά που παρατηρήθηκε ήταν της τάξης του 2.83% για τη μέγιστη παροχή καθιστώντας τη μέθοδο μέτρησης πίεσης με αισθητήρες στην εν λόγω πειραματική διάταξη ασφαλή. 5

Η καταγραφή των δεδομένων και η μετατροπή του αναλογικού σήματος των αισθητήρων πίεσης σε ψηφιακό, έγινε με τη χρήση της κάρτας NI USB-6210, η οποία έχει τη δυνατότητα εισαγωγής τόσο αναλογικού όσο και ψηφιακού σήματος και εξαγωγής ψηφιακού σήματος προς τον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Αυτό γίνεται εισάγοντας για τον κάθε ένα αισθητήρα την εξίσωση της καμπύλης βαθμονόμησης, η οποία προέκυψε μετά από χρήση του προγράμματος NI Signal Express. Τέλος, πρέπει να σημειωθεί, ότι επειδή το πρόβλημα που εξετάζεται αφορά σταθερή ροή οι συνολικές μετρήσεις εξήχθησαν μετά από τον υπολογισμό των μέσων τιμών για διάστημα 5.0 min με ρυθμό λήψεως δεδομένων 1200.0 Hz. 5. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Μελετήθηκαν πειραματικά και υπολογιστικά, δέκα παροχές εισόδου, α) 5.91 l/s, β) 5.78 l/s, γ) 5.56 l/s, δ) 5.03 l/s, ε) 4.12 l/s, στ) 3.92 l/s, ζ) 3.47 l/s, η) 3.34 l/s, θ) 3.14 l/s και ι) 2.17 l/s. Συνολικά αναλύθηκαν 80 περιπτώσεις (10 παροχές x 8 μοντέλα τύρβης). Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν αφορούν τις τιμές των πιέσεων στα χαρακτηριστικά σημεία του αγωγού, τις γραμμές ίσων πιέσεων και ταχυτήτων σε όλο το μήκος του αγωγού. Εκ των ανωτέρω επιλέχτηκαν να παρουσιαστούν αυτά που αντιστοιχούν στο μοντέλο Transition k-kl-ω, που εμφανίζει και τη μεγαλύτερη σύμπτωση με τις μετρήσεις. Στο Σχήμα 4 φαίνονται οι μετρήσεις με κόκκινα σημεία και οι υπολογισμοί με συνεχή κυανή γραμμή της πτώσης πίεσης κατά μήκος του αγωγού Venturi, του διαφράγματος και της στροφής των 180.0ο για την μέγιστη παροχή 5.91 l/s. Τόσο η τάση όσο και η σύμπτωση των πειραματικών με τα υπολογιστικά αποτελέσματα θα μπορούσε να περιγραφεί ως ικανοποιητική. Στο Σχήμα 5 δείχνονται οι ισοϋψείς των στατικών πιέσεων για τις τρείς χαρακτηριστικές περιοχές της διάταξης. Στο Σχήμα 6, φαίνονται τα αποτελέσματα της ταχύτητας ροής σε μορφή ροϊκών γραμμών. Ενδεικτικό των αποτελεσμάτων είναι η μεταβολή του πεδίου των ταχυτήτων εξ αιτίας της διαφοροποίησης (απότομη στένωση-διεύρυνση, στροφή) της γεωμετρίας. Χαρακτηριστικό δε είναι το γεγονός ότι στα κατάντη του διαφράγματος παρατηρείται αναστροφή ροής. Στο Σχήμα 7 φαίνεται η σύγκριση των αποτελεσμάτων των διαφόρων υπολογιστικών μοντέλων τύρβης με τα εξαγόμενα των πειραματικών μετρήσεων πτώσης πίεσης στα 10 χαρακτηριστικά σημεία της πειραματικής διάταξης (Ενότητα 2). Μετά από σύγκριση των διαφόρων μοντέλων προέκυψε το συμπέρασμα ότι το μοντέλο τύρβης Transition k-kl-ω, ερυθρή γραμμή στο Σχήμα 7, προσομοιώνει καλύτερα την πτώση πίεσης του ύδατος στην υπό εξέταση διάταξη. Στο Σχήμα 8 δείχνονται τα προφίλ της ταχύτητας και της τυρβώδους κινητικής ενέργειας στη στένωση του αγωγού Venturi, στο μέσο της στροφής των 180.0 ο και στη στένωση του διαφράγματος, για τις εξεταζόμενες παροχές. Τα εν λόγω αποτελέσματα, αναφέρονται στις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν με χρήση του μοντέλου τύρβης Transition k-kl-ω. Είναι προφανές ότι τόσο τα προφίλ της ταχύτητας όσο και της κινητικής ενέργειας επηρεάζονται από την παροχή εισόδου ύδατος, ακολουθώντας όμως πάντα ένα σταθερό μοτίβο (για δεδομένο μοντέλο τύρβης). 6

α) β) γ) Σχήμα 4. Πτώση πίεσης (Pa), α) στον αγωγό Venturi μεταξύ των σημείων 3-6, β) στο διάφραγμα μεταξύ των σημείων 8-10 και γ) στη στροφή των 180.0ο μεταξύ των σημείων 7-8 για παροχή 5.91 l/s (βλέπε Ενότητα 2 για τα σημεία). Η συνεχής γραμμή συμβολίζει υπολογιστικά αποτελέσματα, ενώ τα κόκκινα σημεία τις μετρήσεις 7

α) β) γ) Σχήμα 5. Γραμμές ίσων πιέσεων (Pa) στα τοιχώματα της περιοχής, α) του αγωγού Venturi, β) της στροφής 180.0ο, γ) του διαφράγματος για παροχή 5.91l/s 8

Σχήμα 6. Ταχύτητα ροής (m/s) εντός, α) του αγωγού Venturi, β) της στροφής 180.0ο και γ) του διαφράγματος για παροχή 5.91 l/s 9

Σχήμα 7. Σύγκριση διαφοράς πίεσης (Pa) υπολογιστικών αποτελεσμάτων διαφόρων μοντέλων τύρβης και πειραματικών. Mε συνεχείς καμπύλες δείχνονται τα υπολογιστικά αποτελέσματα και με κυανά σημεία τα πειραματικά α) στένωση του αγωγού Venturi β) μέσο στροφής 180.0ο 10

γ) στένωση διαφράγματος Σχήμα 8. Κατανομή ταχύτητας (m/s) και τυρβώδους κινητικής ενέργειας (m2/s2), α) στη στένωση του αγωγού Venturi, β) στο μέσο της στροφής των 180.0ο και γ) στη στένωση του διαφράγματος για τις παροχές, α) 5.91 l/s (Flow rate 1), β) 5.78 l/s (Flow rate 2), γ) 5.56 l/s (Flow rate 3), δ) 5.03 l/s (Flow rate 4), ε) 4.12 l/s (Flow rate 5), στ) 3.92 l/s (Flow rate 6), ζ) 3.47 l/s (Flow rate 7), η) 3.34 l/s (Flow rate 8), θ) 3.14 l/s (Flow rate 9) ι) 2.17 l/s (Flow rate 10) 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία έγινε πειραματική και αριθμητική διερεύνηση των στατικών πιέσεων σε εργαστηριακό κλειστό αγωγό που περιλαμβάνει ένα συγκλίνοντααποκλίνοντα αγωγό τύπου Venturi, μία στροφή των 180.0ο και ένα διάφραγμα. Τα κυριότερα συμπεράσματα που εξήχθησαν είναι τα κάτωθι: 1. Τα αποτελέσματα όλων των μοντέλων τύρβης που χρησιμοποιήθηκαν εμφάνισαν μικρές αποκλίσεις μεταξύ τους. 2. Η σύγκριση μεταξύ των πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων παρουσίασε ορισμένες αξιοσημείωτες διαφορές στον αγωγό Venturi (σημεία 56), στο διάφραγμα (σημεία 9-10) και στην περιοχή της στροφής των 180 ο (σημεία 7-8). Οι διαφορές αυτές είναι πιθανόν να οφείλονται σε σφάλματα των μετρήσεων, αλλά και σε απώλειες του όλου συστήματος του αγωγού. Στην περιοχή του διαφράγματος, τυχούσες διαφορές είναι δυνατόν να οφείλονται σε αποκόλληση της ροής που συμβαίνει αμέσως μετά από αυτό. 3. Οι μεγαλύτερες διαφοροποιήσεις μεταξύ πειραματικών μετρήσεων και αριθμητικών αποτελεσμάτων στην περιοχή του αγωγού Venturi εμφανίζονται στις πολύ υψηλές παροχές (για τα δεδομένα του εργαστηριακού αγωγού). Στην περιοχή του διαφράγματος αντίθετα, οι μέγιστες διαφορές παρουσιάζονται για τις δύο μικρότερες παροχές. 4. Σε γενικές γραμμές, το όλο σύστημα του εργαστηριακού αγωγού προσομοιώθηκε ικανοποιητικά από το αριθμητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στο ANSYS Workbench. 5. Το μοντέλο τύρβης με τη χρήση του οποίου προσομοιώθηκε με το βέλτιστο τρόπο η πειραματική διαδικασία είναι το μοντέλο k-kl-ω για μεταβατική ροή (Transition k-kl-ω model). 11

6. Η μέγιστη κατανομή της ταχύτητας στη στροφή, που εμφανίζεται στο κοίλο μέρος αυτής, είναι μετατοπισμένη προς τα ανάντη. 7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ANSYS Inc., 2012. ANSYS Fluent theory guide. Release 13.0. Barre, S., Rolland, J., Boitel, G., Goncalves, E. and Fortes Patella, R., 2009. Experiments and modeling of cavitating flows in venturi: attached sheet cavitation. European Journal of Mechanics B/Fluids, 28: 444-464. Baylar, A., Cihan Aydin, M., Unsal, M. and Ozkan, F., 2009. Numerical modeling of venturi flows for determining air injection rates using fluent v6.2. Mathematical and Computational Applications, 14: 97-108. Ben-Mansour, R., Habib, M.A., Khalifa A., Youcef-Toumi K. and Chatzigeorgiou D., 2012. Computational fluid dynamic simulation of small leaks in water pipelines for direct leak pressure transduction. Computers and Fluids, 57: 110-123. Brki, D., 2012. Can pipes be actually really that smooth? International Journal of Refrigeration, 35(1): 209-215. Colebrook, C.F., 1939. Turbulent flow in pipes, with particular reference to the transition region between smooth and rough pipe laws. Journal of the Institution of Civil Engineers., 11(4): 133 156. National Instruments, 2012. DAQ M Series NI USB - 621x User Manual. Ghassemi, H. and Farshi Fasih, H. 2011. Application of small size cavitating venturi as flow controller and flow meter. Flow Measurement and Instrumentation, 22: 406412. Jirkovsky, L. and Muriel, A., 2012, Pipe flow and wall turbulence using a modified Navier- Stokes equation. Commun. Theor. Phys., 57(3): 477-481. Ozkan, F., Ozturk, M. and Baylar, A. 2006. Experimental investigations of air and liquid injection by venturi tubes. Water and Environment Journal, 20: 114-122. Patankar, S.V., 1980. Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere Publishing Corp., Washington, DC, 210 p.p. Rudman, M. and Blackburn, H.M., 1999. Large eddy simulation of turbulent pipe flow. Second International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, Melbourne, Australia 503-508, Xanthopoulos, E.I., Tzempelikos, D.A., Filios, A.E. and Margaris, D.P., 2011. Use of virtual instrumentation and computational fluid dynamics in an undergraduate research project. 7th GRACM International Congress on Computational Mechanics, Athens, Greece. 12