ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΕΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗΣ

ΡΟΗ 2004 4η Επιστηµονική Συνάντηση Μηχανικής Ρευστών ΕΜΠ, Αθήνα 26 Νοεµβρίου 2004 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΕΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗΣ Π. Κούτµος, Θ. Πανίδης, Κ. Περράκης και.. Παπαηλιού Εργαστήριο Τεχνικής Θερµοδυναµικής και Εφαρµογών Στατιστικής Μηχανικής, Τοµέας Ενέργειας, Περιβάλλοντος και Αεροναυτικής, Τµήµα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών, 265 04 Ρίο-Πάτρα, Τηλ. 261 0997 242, Fax 261 0997 271, panidis@mech.upatras.gr Στην εργασία αυτή δίνεται µια σύντοµη παρουσίαση του Εργαστηρίου Τεχνικής Θερµοδυναµικής. Γίνεται µια σύντοµη αναφορά στο ιστορικό διαµόρφωσης του Εργαστηρίου, στο ανθρώπινο δυναµικό του και στο διδακτικό του έργο. Αναλύονται οι βασικοί στόχοι και τα πεδία των ερευνητικών δραστηριοτήτων. Παρουσιάζονται οι πειραµατικές και υπολογιστικές τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί και χρησιµοποιούνται στο Εργαστήριο. Τέλος γίνεται συνοπτική αναφορά σε ορισµένα από τα τρέχοντα ερευνητικά θέµατα που δεν θα τύχουν αυτόνοµης παρουσίασης στην Συνάντηση αυτή. 1. ΓΕΝΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ Το Εργαστήριο ιδρύθηκε το 1976 και αναπτύχθηκε µέχρι το 1998 υπό την διεύθυνση του καθηγητή.. Παπαηλιού. Μετά την συνταξιοδότησή του τελευταίου, την διεύθυνση του Εργαστηρίου ανέλαβε ο αναπληρωτής καθηγητής Π. Κούτµος. Το δυναµικό του Εργαστηρίου περιλαµβάνει, πέρα από τον διευθυντή, τον επίκουρο καθηγητή Θ. Πανίδη, τον λέκτορα Κ. Περράκη και τον οµότιµο καθηγητή.. Παπαηλιού. Στο εργαστήριο έχουν ολοκληρωθεί δώδεκα διδακτορικές διατριβές και εκπονούνται άλλες δώδεκα από τους µεταπτυχιακούς φοιτητές Α. Τσάβο, Α. Βούρο, Α. Ρωµαίο,. Χαλασοχώρη, Αλ. Βούρο, Α. Γιανναδάκη, Π. Κεφάλα, Γ. Γιαννάκη, Π. Μαραζιώτη, Α. Μισαηλίδη, Α. Πανταζή και. Τριανταφυλλίδου. Εκπαιδευτικά το Εργαστήριο έχει αναλάβει, όσον αφορά τον βασικό κορµό του προπτυχιακού προγράµµατος σπουδών, την διδασκαλία των µαθηµάτων της Θερµοδυναµικής και της Μετάδοσης Θερµότητας που υποστηρίζονται µε κατάλληλες εργαστηριακές ασκήσεις. Στα µαθήµατα ειδίκευσης καθώς και στην κατεύθυνση της Αεροναυπηγικής το Εργαστήριο προσφέρει µια πληθώρα ειδικών µαθηµάτων όπως Φαινόµενα Μεταφοράς, Μηχανές Εσωτερικής Καύσης, Καύση & Ρύποι, Αεριοστρόβιλοι-Ατµοστρόβιλοι, Ειδικά Κεφάλαια Μεταφοράς Μάζας & Θερµότητας, Θεωρία & Μοντελοποίηση Τυρβωδών Ροών, Θεωρία Οριακού Στρώµατος, Συστήµατα Ελέγχου Πτήσης και Αεροδιαστηµικά Προωστικά Συστήµατα. Στο µεταπτυχιακό πρόγραµµα του Τµήµατος τα µέλη του Εργαστηρίου συµµετέχουν στη διδασκαλία των µαθηµάτων Φαινόµενα Τυρβώδους Μεταφοράς, Θερµική Ενέργεια στην Παραγωγή Έργου και Πολυφασικές Ροές. Για την υποστήριξη του διδακτικού έργου έχουν γραφεί αρκετά διδακτικά βοηθήµατα. Το ερευνητικό έργο του εργαστηρίου αναφέρεται στη µελέτη ρευστοθερµικών φαινοµένων, τύρβης, αεροδυναµικής, καύσης και διφασικών ροών µε πειραµατικές ή/και µε υπολογιστικές µεθοδολογίες και εφαρµογές σε προβλήµατα ενέργειας, περιβάλλοντος και αεροναυτικής. Η προσέγγιση των προβληµάτων γίνεται ως επί το πλείστον σε επίπεδο βασικής έρευνας µε στόχο την κατανόηση φυσικών µηχανισµών και την δηµιουργία µοντέλων που διευρύνουν τις δυνατότητες ανάλυσης πρακτικών προβληµάτων στη φύση και την τεχνολογία. Παρ' όλον ότι τα περισσότερα ερευνητικά προβλήµατα έχουν σαφή αναφορά σε πρακτικές εφαρµογές ο σχεδιασµός της έρευνας γίνεται µε αφαιρετικό τρόπο έτσι ώστε να επισηµαίνονται και να διερευνώνται κάθε φορά τα βασικά 27

χαρακτηριστικά κάθε προβλήµατος. Ένα µέρος της ερευνητικής προσπάθειας αφορά την ανάπτυξη και εξέλιξη νέων τεχνικών τόσο πειραµατικών όσο και υπολογιστικών. Το Εργαστήριο έχει αναπτύξει διαχρονικά δραστηριότητα σε πέντε κυρίως τοµείς: Ρευστοµηχανική: οµή της τύρβης, Φαινόµενα τυρβώδους µεταφοράς σε απλές και πολυφασικές ροές, συνεκτικές στροβιλώδεις δοµές. Μετάδοση Θερµότητας: Φυσική και εξαναγκασµένη τυρβώδης µεταφορά από επιφάνειες, και ροϊκές διόδους καθώς και σε πλούµια και θερµικά jets. Φαινόµενα Καύσης: Μελέτη φαινοµένων τυρβώδους µεταφοράς όπως µίξη, διάχυση και εισροή (entrainment), Φλόγες διάχυσης, ασικές πυρκαγιές, Έναυση-σβέση, Πολυβηµατική χηµεία, Αλληλεπίδραση τύρβης-χηµείας, Θόρυβος. Θαλάσσια ρύπανση: Κυκλοφορία και φαινόµενα διασποράς ρυπαντών σε θαλάσσιο περιβάλλον. Υπολογιστικές µέθοδοι: Προσοµοίωση φαινοµένων µεταφοράς σε υποηχητικές και υπερηχητικές ροές και ροές µε χηµικές αντιδράσεις (καύση), µοντέλα, Προσοµοίωση µεγάλων δινών (LES). Η ανάπτυξη της έρευνας στο εργαστήριο, µε την απόκτηση της απαραίτητης υλικοτεχνικής υποδοµής σε πειραµατικές και µετρητικές διατάξεις, την εξασφάλιση υπολογιστικών δυνατοτήτων καθώς και την οικονοµική υποστήριξη νέων ερευνητών υποψηφίων διδακτόρων, στηρίζεται κυρίως στην χρηµατοδότηση ερευνητικών προγραµµάτων τόσο από Ελληνικές πηγές όσο και από την Ευρωπαϊκή Ένωση και την Ευρωπαϊκή βιοµηχανία. 2. ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ Η πειραµατική διερεύνηση προβληµάτων τυρβωδών ροϊκών πεδίων απαιτεί την χρησιµοποίηση και την εξέλιξη µετρητικών διατάξεων υψηλών προδιαγραφών µε δυνατότητες γρήγορης απόκρισης και υψηλή χωρική ανάλυση. Για το σκοπό αυτό το Εργαστήριο διαθέτει σηµαντική υποδοµή που έχει συσσωρευτεί στα χρόνια της λειτουργίας του. Συστήµατα Ταχυµετρίας Laser Doppler (LDV). Τα συστήµατα LDV είναι στις µέρες µας ένα δοκιµασµένο εργαλείο για την πειραµατική διερεύνηση τυρβωδών και διφασικών ροών. Ο µη παρεµβατικός τους χαρακτήρας σε συνδυασµό µε τον µικρό όγκο ελέγχου και την υψηλή ταχύτητα απόκρισης είναι µερικά από τα χαρακτηριστικά που τα καθιέρωσαν. Μεγάλο µέρος της ερευνητικής δουλειάς του εργαστηρίου βασίστηκε σε µετρήσεις µε LDV. ιατίθενται δύο ανεξάρτητα συστήµατα για τη µέτρηση µιας συνιστώσας της ταχύτητας τα οποία µπορούν να συνδυαστούν για την ταυτόχρονη µέτρηση δύο συνιστωσών. Παράλληλα το Εργαστήριο διαθέτει σύστηµα Ανεµοµετρίας Φάσης Doppler (PDA) για τον προσδιορισµό της ταχύτητας και του µεγέθους σφαιρικών σωµατιδίων σε διάσπαρτες διφασικές ροές. Πολλές φορές η φύση των προβληµάτων οδήγησε στην εξέλιξη της θεωρίας και της µεθοδολογίας των µετρήσεων. Έτσι έχουν αναπτυχθεί τεχνικές για τον διαχωρισµό των φάσεων, και εκτιµητές για τον προσδιορισµό της µέσης ταχύτητας και των στατιστικών της ροπών σε διάσπαρτες διφασικές ροές. ιερευνήθηκε το πρόβληµα της µέτρησης µεγάλων σφαιρικών σωµατιδίων µε PDA, και εκτιµήθηκε η επίδραση της παρουσίας της διάσπαρτης φάσης στην υποβάθµιση του οπτικού δρόµου και τη µείωση των δυνατοτήτων δειγµατοληψίας. Σύστηµα Ταχυµετρίας Εικόνας Σωµατιδίων (PIV). Τα συστήµατα PIV έχουν σήµερα πια αποδείξει τις δυνατότητές τους στη διερεύνηση ροϊκών φαινοµένων. Οι δυνατότητες ταυτόχρονης καταγραφής της κατανοµής δύο συνιστωσών της ταχύτητας σε επίπεδες τοµές του ροϊκού πεδίου τα καθιστούν προνοµιακό εργαλείο στην διερεύνηση των µεγάλων δοµών που απασχολεί την σύγχρονη έρευνα στα ρευστοθερµικα φαινόµενα. Το Εργαστήριο έχει αναπτύξει ένα δικό του σύστηµα PIV για την διερεύνηση ροών σε χαµηλούς αριθµούς Re. Παράλληλα έχει αποκτήσει ένα εµπορικό σύστηµα PIV το οποίο έχει ήδη αποδώσει τους πρώτους καρπούς. Συστήµατα Ανεµοµετρίας Θερµού Σύρµατος (HWA). Η τεχνική HWA υπήρξε στο παρελθόν ο µεγάλος στυλοβάτης που έδωσε την δυνατότητα για σηµαντικά άλµατα στη διερεύνηση των τυρβωδών ροών. Ο παρεµβατικός της χαρακτήρας και οι δυσκολίες που αντιµετωπίζει σε µη ισόθερµες ροές και ροές µε ανακυκλοφορία είχαν περιορίσει σε ένα βαθµό το πεδίο εφαρµογών της. Κατά τις τελευταίες δεκαετίες το ενδιαφέρον των ερευνητών έχει ανανεωθεί. Η χρησιµοποίηση ανεµόµετρων πολλαπλών αισθητήρων, που επιτρέπουν τη µέτρηση της στιγµιαίας στροβιλότητας, δίνει την δυνατότητα να αποκτήσουµε πληροφορίες ιδιαίτερα σηµαντικές για την θεωρία της τύρβης και την ανάλυση τυρβωδών ροϊκών πεδίων, που µέχρι πρότινος ήταν απροσπέλαστες. Στο Εργαστήριο 28

έχει αναπτυχθεί κατά τα τελευταία χρόνια η υποδοµή και η εµπειρία τόσο για την κατασκευή των αισθητήρων όσο και για την ανάλυση των αποτελεσµάτων των µετρήσεων. Οι δυνατότητες της τεχνικής έχουν ελεγχθεί µε βάση απλές ροές και παράλληλα αξιοποιούνται σε αρκετές ερευνητικές προσπάθειες. Παράλληλα µε τις τεχνικές µέτρησης ταχυτήτων που αναφέρθηκαν το Εργαστήριο διαθέτει, για την υποστήριξη του ερευνητικού του έργου, συναφή εξοπλισµό µετρήσεων που περιλαµβάνει Σωλήνες Pitot, Ροόµετρα, Θερµοζεύγη, Εξοπλισµό οπτικοποίησης ροών, διατάξεις κίνησης κλπ. Μεγάλη σηµασία για το ερευνητικό έργο του Εργαστηρίου έχουν οι υπολογιστικές του δυνατότητες. Για το σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί δύο υπολογιστικοί κώδικές CFD για την πρόλεξη ρευστοθερµικών διεργασιών µε δυνατότητα προσοµοίωσης χηµικών αντιδράσεων. Η τύρβη στους κώδικες µέσων εξισώσεων κατά Reynolds προσοµοιώνεται µε πληθώρα µοντέλων που περιλαµβάνουν από απλά µοντέλα k-ε έως πλήρη µοντέλα των τάσεων Reynolds. Σηµαντική ερευνητική προσπάθεια έχει γίνει στην τεχνική «Προσοµοίωσης Μεγάλων ινών» (LES) µε την χρησιµοποίηση ανισότροπων µοντέλων υποπλεγµατικού ιξώδους δίνης και εξισώσεων πρόγνωσης της ενέργειας για τις υποπλεγµατικές κλίµακες. Για την προσοµοίωση διεργασιών µε καύση χρησιµοποιούνται υπολογιστικές τεχνικές που µπορούν να προσοµοιώσουν χηµικές αντιδράσεις σε κατάσταση ισορροπίας αλλά και αντιδράσεις που εξελίσσονται µε βάση τη χηµική κινητική. Έχουν σχεδιαστεί και χρησιµοποιηθεί πολυβηµατικά µοντέλα καύσης που συνυπολογίζουν την επίδραση της τύρβης στην εξέλιξη των φαινοµένων. Σε συνδυασµό µε την τεχνική LES έχουν χρησιµοποιηθεί τεχνικές κατανοµής πυκνότητας πιθανότητας (PDF) που προσοµοιώνουν την αλληλεπίδραση τύρβηςκαύσης. Έχουν µελετηθεί διεξοδικά φαινόµενα απόσβεσης - επανέναυσης και έχουν προταθεί σχετικά υπολογιστικά κριτήρια και µοντέλα. Παράλληλα µε τους υπολογιστικούς κώδικες που έχουν αναπτυχθεί στο Εργαστήριο, χρησιµοποιούνται και δύο εµπορικοί κώδικες (FLUENT, CFD-ACE). Στη συνέχεια παρουσιάζονται κάποιες από τις τρέχουσες ερευνητικές προσπάθειες του Εργαστηρίου πέρα από αυτές που θα παρουσιαστούν αυτόνοµα στη Συνάντηση αυτή. 3. ΡΟΗ ΠΕΡΙ ΙΝΗΣΗΣ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΗ ΣΕ ΑΓΩΓΟ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΡΟΗΣ Οι ροές µε περιδίνηση βρίσκουν εφαρµογή σε ευρύ φάσµα συστηµάτων καύσης λόγω της επίδρασης τους στη σταθεροποίηση της φλόγας, στη βελτίωση της µίξης οξειδωτικού-καυσίµου και στη µείωση των παραγόµενων ρύπων. Ο κυρίαρχος µηχανισµός που καθορίζει τη χρησιµοποίηση της περιδίνησης σε συστήµατα καύσης έχει περιγραφεί εδώ και αρκετά χρόνια. Ως πιο σηµαντική παράµετρος για την περιγραφή του ροϊκού πεδίου χρησιµοποιείται ο αριθµός στροβιλισµού (Swirl number,s) ο οποίος συγκρίνει το ρυθµό ροής της εφαπτοµενικής ορµής µε αυτόν της αξονικής ορµής. Με βάση τον αριθµό στροβιλισµού οι ροές κατατάσσονται σε ροές ισχυρής και ασθενούς περιδίνησης. Εξίσου σηµαντική παράµετρος σε ροές µε οµοαξονικές δέσµες είναι και ο λόγος παροχής µαζών των δεσµών, (Mass flow ratio, M). Χαρακτηριστικό των ροών περιδίνησης είναι η δηµιουργία στροβίλου ελικοειδούς µορφής, το κέντρο περιστροφής του οποίου βρίσκεται στο διαµήκη άξονα της ροής. Ο στρόβιλος αυτός αυξάνει σηµαντικά το ρυθµό εγκόλπωσης και µίξης του περιβάλλοντος ρευστού σε σχέση µε την ελεύθερη αξονοσυµµετρική δέσµη και αναφέρεται ως «αξονικός µακροστρόβιλος». Το ροϊκό πεδίο χαρακτηρίζεται από τη δηµιουργία µιας µεγάλης βαθµίδας πίεσης ακτινικά στο στρόβιλο µε αντίστοιχη µείωση της αξονικής και εφαπτοµενικής συνιστώσας της ταχύτητας και της υποπίεσης κατά µήκος του στροβίλου. Σε µεγάλες τιµές του αριθµού περιδίνησης η ακτινική κίνηση του ρευστού προκαλεί αύξηση της πίεσης κατά µήκος του άξονα της ροής µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία ζώνης ανακυκλοφορίας (recirculation zone), µε σχήµα και µέγεθος που εξαρτώνται από το λόγο εκτόνωσης, τη γεωµετρία του ακροφυσίου και τον αριθµό στροβιλισµού. Η ζώνη ανακυκλοφορίας παίζει κυρίαρχο ρόλο στη γεωµετρία και τη σταθεροποίηση της φλόγας. Στα πλαίσια της έρευνας αυτής µελετάται τόσο υπολογιστικά (Giannadakis et al 2003) όσο και πειραµατικά (Giannadakis et al 2004) το ροϊκό πεδίο οµοαξονικών δεσµών όπως αυτά εισέρχονται σε µία πρότυπη διάταξη καυστήρα. Η εξωτερική δέσµη τροφοδοτείται αξονικά στον καυστήρα από ένα φυγοκεντρικό ανεµιστήρα ενώ η εσωτερική, στροβιλιζόµενη, δέσµη εισάγεται στο θάλαµο µε εφαπτοµενική έγχυση (σχήµα 1). 29

Σχήµα 1: Ροή µε περιδίνηση: όψεις της πειραµατικής διάταξης Η υπολογιστική προ-διερεύνηση σχετικά µε τις ροές µε περιδίνηση αποτέλεσε εφαλτήριο για µια πιο µεθοδική και στοχευµένη πειραµατική διερεύνηση αλλά παράλληλα κατέδειξε και την εµφανή αδυναµία ακριβούς πρόβλεψης τρισδιάστατων και ισχυρά ανισότροπων ροών µε τη χρήση µοντέλων δύο εξισώσεων (k-ε, RNG k-ε). Στα πλαίσια της πειραµατικής διερεύνησης έχει µελετηθεί το ισόθερµο πεδίο που προκύπτει από την αλληλεπίδραση των δύο οµοαξονικών δεσµών µε τη χρήση Ανεµοµετρίας Θερµού Νήµατος (HWA) X-probe (σχήµα 3), ενώ ήδη έχουν γίνει µετρήσεις µε τη µέθοδο 2D-PIV (σχήµα 2). Η ολοκλήρωση της πειραµατικής διερεύνησης περιλαµβάνει τη χρήση Ανεµοµετρίας Θερµού Νήµατος τεσσάρων αισθητήρων, ώστε να είναι εφικτή ταυτόχρονη µέτρηση και των τριών συνιστωσών του διανύσµατος της ταχύτητας και κατά συνέπεια ο υπολογισµός ανώτερων στατιστικών ροπών και όρων των εξισώσεων N-S. pix pix 110 0 110 0 1000 1000 900 900 800 800 700 700 600 600 500 500 400 400 300 300 200 200 10 0 10 0 0 Statistics vector map: Vector Statistics, 99Χ73 vectors (7227) Size: 1600Χ1184 (0,0) Analog inputs: 0 000; 0 000; 0 000; 0 000 0 10 0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 110 0 1200 1300 1400 150 0pix 0-0.373-0.322-0.270-0.219-0.167-0.116-0.064-0.013 0.038 0.090 0.141 0.193 0.244 0.296 0.347 0.399 0 10 0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 110 0 12 0 0 1300 1400 150 0pix ιανύσµατα ταχύτητας Ισοϋψείς Οριζόντιας Ταχύτητας pix pix 110 0 110 0 1000 1000 900 900 800 800 700 700 600 600 500 500 400 400 300 300 200 200 10 0 10 0 0-0.348-0.302-0.255-0.209-0.162-0.115-0.069-0.022 0.024 0.071 0.118 0.164 0.211 0.258 0.304 0.351 0-174 -154-134 -114-94 -74-54 -34-15 5 25 45 65 85 105 125 0 10 0 200 300 400 500 600 700 800 900 10 0 0 110 0 12 0 0 13 0 0 14 0 0 150 0pix 0 10 0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 110 0 1200 1300 1400 150 0pix Ισοϋψείς Κατακόρυφης Ταχύτητας Ισοϋψείς ιαµήκους Στροβιλότητας Σχήµα 2. Μετρήσεις µε PIV 30

y/d 1.00 0.75 x/d=2 x/d=3 x/d=4 x/d=5 x/d=6 x/d=7 x/d=8 x/d=9 x/d=10 1.00 x/d=2 x/d=3 x/d=4 x/d=5 x/d=6 x/d=7 x/d=8 x/d=9 x/d=10 (a) 0.50 0.25 0.00-0.25-0.50-0.75 0.75 0.50 0.25-1.00 1.01.52.02.53.0 1.52.02.53.0 1.52.02.53.0 1.52.02.53.0 1.52.02.53.0 1.52.02.53.0 1.52.02.53.0 1.52.02.53.0 1.52.02.53.0 0.00 0.3 0.6 0.3 0.6 0.3 0.6 0.3 0.6 0.3 0.6 0.3 0.6 0.3 0.6 0.3 0.6 0.3 0.6 y/d 1.00 0.75 x/d=2 x/d=3 x/d=4 x/d=5 x/d=6 x/d=7 x/d=8 x/d=9 x/d=10 1.00 x/d=2 x/d=3 x/d=4 x/d=5 x/d=6 x/d=7 x/d=8 x/d=9 x/d=10 (β) 0.50 0.25 0.00-0.25-0.50-0.75 0.75 0.50 0.25-1.00 0.00-0.5 0.0 0.5-0.5 0.0 0.5-0.5 0.0 0.5-0.5 0.0 0.5-0.5 0.0 0.5-0.5 0.0 0.5-0.5 0.0 0.5-0.5 0.0 0.5-0.5 0.0 0.5-0.1 0.0 0.1 0.0 0.1 0.0 0.1 0.0 0.1 0.0 0.1 0.0 0.1 0.0 0.1 0.0 0.1 0.0 0.1 α) Μέση ιαµήκης Ταχύτητα β) Μέση Εφαπτοµενική Ταχύτητα α) Τυρβώδης ιαµήκης και Εφαπτοµενική Ταχύτητα, β) Τάση Reynolds Σχήµα 3. Κατανοµές µετρήσεων κατά µήκος του καυστήρα µε X-probe (Μ=12) 4. ΜΕΛΕΤΕΣ ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗΣ ΦΛΟΓΩΝ ΚΑΤΑΝΤΙ ΣΤΕΡΕΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ Πραγµατοποιήθηκε η πειραµατική και υπολογιστική διερεύνηση του ασταθούς τυρβώδους απορέµατος πίσω από δισδιάστατο «κύλινδρο», µε εισροή από την βάση του, στην περιοχή δηµιουργίας των στροβίλων. Μετρήθηκαν µε LDV τα µέσα και τυρβώδη χαρακτηριστικά της ανάπτυξης του απορέµατος για αριθµό Re 8520 και για διάφορους λόγους ταχύτητας µεταξύ της δέσµης εισροής και της κύριας ροής, µε στόχο την διερεύνηση της αεροδυναµικής συµπεριφοράς του απορέµατος καθώς αλληλεπιδρά µε τη ροή της δέσµης. Παράλληλα χρησιµοποιήθηκε η υπολογιστική τεχνική «Προσοµοίωσης Μεγάλων ινών» (LES), για την ανάλυση των ποικίλων τύπων ροής που ανέδειξαν οι πειραµατικές µετρήσεις. Οι µικρότερες του πλέγµατος κλίµακες µοντελοποιήθηκαν µε ένα µοντέλο πρώτου βαθµού που χρησιµοποιεί ένα ανισότροπο υποπλεµατικό τυρβώδες ιξώδες και µια εξίσωση πρόγνωσης της τυρβώδους κινητική ενέργειας για τις υποπλεγµατικές κλίµακες. Τα αποτελέσµατα επιτρέπουν την αξιολόγηση της επίδρασης της δέσµης εισροής στα µέσα και τυρβώδη χαρακτηριστικά στην εγγύς περιοχή του απορέµατος και παράλληλα πιστοποιούν τις δυνατότητες του υπολογιστικού µοντέλου τα αποτελέσµατα του οποίου συµφωνούν και εξηγούν τις µετρήσεις στο πολύπλοκο αυτό ροϊκό πεδίο (σχήµα 4, Bakrozis et al 1999, Papailiou et al 2000, Koutmos et al 2004). Γεωµετρία Καυστήρα Μέσες γραµµές ροής στο απόρρεµα µε καύση Σχήµα 4. Μελέτη σταθεροποίησης φλογών κατάντι στερεών σωµάτων Ισόθερµες καµπύλες στο απόρρεµα µε καύση 31

Προσκολληµένη φλόγα Μέτρια ανυψωµένη φλόγα Σηµαντικά ανυψωµένη φλόγα Σχήµα 5. Μελέτες στρωτών φλογών τύπου δέσµης µε πολυβηµατική χηµική κινητική, Ισόθερµες καµπύλες 5. ΜΕΛΕΤΗ ΦΛΟΓΩΝ ΕΣΜΗΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΠΑΡΑΓΩΜΕΝΟΥ ΑΠΟ ΑΥΤΕΣ ΘΟΡΥΒΟΥ Η εργασία αυτή αναφέρεται στην πειραµατική και υπολογιστική διερεύνηση του τυρβώδους ρευστοθερµικού πεδιου και την παραγωγή θορύβου από το µέτωπο προσκολληµένων και ανυψωµένων φλογών διάχυσης C 3 H 8, λόγω των τυρβωδών διακυµάνσεων µέσα στη φλόγα. Ο υπολογισµός της ροής αντιδρώσας δέσµης βασίστηκε σε ένα σχήµα προσοµοίωσης µεγάλων δινών (LES). Χρησιµοποιήθηκε ένα χρονικά εξελισσόµενο σχήµα για τις εξισώσεις συνέχειας, ειδών, ορµής και ενέργειας. Τα φαινόµενα καύσης υπολογίστηκαν µε ένα µονοβηµατική γενική αντίδραση και το µοντέλο τυρβώδους καύσης EDC. Η ικανοποιητική συµφωνία των πειραµατικών και υπολογιστικών αποτελεσµάτων όσον αφορά τα τυρβώδη χαρακτηριστικά της φλόγας επέτρεψε τον υπολογισµό των ακουστικών χαρακτηριστικών της καύσης, σε µια προσπάθεια επισήµανσης των αλληλοεξαρτώµενων επιπτώσεων της απαγωγής θερµότητας και της τύρβης στην παραγωγή θορύβου (σχήµατα 5, 6, Marazioti & Koutmos 2003). Γεωµετρία φλόγας µε παράλληλη ροή Πειραµατικά και Υπολογισµένα φάσµατα Θορύβου Προσκολληµένη φλόγα (u=4m/s) Ανυψωµένες φλόγες (u=15m/s & u=25m/s) Σχήµα 6. Μελέτη φλογών δέσµης µε την µέθοδο της προσοµοίωσης µεγάλων δινών (LES) 32

6. ΜΕΛΕΤΕΣ ΤΟΠΙΚΗΣ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ/ ΕΠΑΝΕΝΑΥΣΗΣ ΦΛΟΓΩΝ ΙΑΧΥΣΗΣ ΜΕ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΩΝ ΜΕΓΑΛΩΝ ΙΝΩΝ Η επίδραση των χρονικών χαρακτηριστικών της χηµείας, όπως είναι η µερική απόσβεση και επανέναυση, διερευνάται σε τυρβώδεις µη προ-αναµεµιγµένες αντιδρώσες ροές, σταθεροποιηµένες στο απόρρεµα ενός αξονοσυµµετρικού σώµατος. Χρησιµοποιείται ένα σχήµα «προσοµοίωσης µεγάλων δινών» σε συνδυασµό µε ένα υποπλεγµατικό µοντέλο καύσης που βασίζεται σε µια συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας του κλάσµατος αντιδραστικότητας µίγµατος για δύο βαθµωτά µεγέθη σε µερική ισορροπία. Το µοντέλο χρησιµοποιεί επί πλέον ένα ανισότροπο µοντέλο υποπλεγµατικού ιξώδους δίνης σε συνδυασµό µε σύο εξισώσεις για την ενέργεια και την τυρβώδη κινητική ενέργεια. Οι συνδιακυµάνσεις που απαιτούνται για την από κοινού κατανοµή πιθανότητας προσδιορίζονται µε βάση τη θεώρηση οµοιότητας µεταξύ των υπολογιζόµενων και των υποπλεγµατικών διακυµάνσεων. Η απόσβεση λόγων ισχυρής αλληλεπίδρασης µεταξύ της τύρβης και της χηµείας λαµβάνεται υπ' όψη µε ένα τοπικό κριτήριο τυρβώδους αριθµού Damkohler. Για την προσοµοίωση µεταβατικών φαινοµένων τοπικών αποσβέσεων και επανεναύσεων χρησιµοποιείται µια Λαγκρανζιανή εξίσωση µεταφοράς µιας µεταβλητής που χαρακτηρίζει την εξέλιξη της αντιδραστικότητας. Οι συγκρίσεις µε τα διαθέσιµα πειραµατικά αποτελέσµατα επιβεβαιώνει τη δυνατότητα του υπολογιστικού σχήµατος να προβλέπει την επίδραση των στροβιλωδών δοµών µεγάλης κλίµακας. Η επίδραση των δοµών αυτών, που είναι κυρίαρχες τόσο στην αντιδρώσα όσο και στην αντίστοιχη ισόθερµη ροή, δεν είναι δυνατόν να εκτιµηθεί µε τα κλασικά σχήµατα εξισώσεων χρονικών µέσων τιµών που συγκαλύπτουν την ύπαρξή τους. Η µέθοδος που χρησιµοποιήθηκε παρουσιάζει επί πλέον πλεονεκτήµατα όσον αφορά την καταγραφή φαινοµένων µετά την απόσβεση ή την επανέναυση και την αλληλεπίδρασή τους µε την χρονικά µεταβαλλόµενη δυναµική των δοµών µεγάλης κλίµακας (σχήµα 7, Koutmos 2000, Koutmos & Marazioti 2001). Καυστήρας ελεγχόµενης φλόγας διάχυσης Καύσιµα που δοκιµάστηκαν CH4, 45% CO/15% H /40% N2, & CH3OH 7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Σύγκριση µεταξύ υπολογισµένων και πειραµατικών τιµών της θερµοκρασίας και συγκέντρωσης CO2 σε φλόγα CH3OH αραιωµένου µε αέρα σε αναλογία 2:1. Σχήµα 7. Μελέτες τοπικής απόσβεσης/ επανέναυσης φλογών διάχυσης µε προσοµοίωση των µεγάλων δινών (LES) Bakrozis, A. G., Papailiou D. D. & Koutmos P., 1999, A study of the turbulent structure of a twodimensional diffusion flame formed behind a slender bluff-body, Combustion and Flame, Volume 119, Issue 3, November 1999, Pages 291-306 Giannadakis A., Vouros A., Perrakis K., & Panidis Th., 2003, Confined Coaxial Swirl Flow, Third Meeting of Greek Section of the Combustion Institute, P4, pp. 1-8 33

Giannadakis, A., Romeos, A., Vouros, A., Perrakis, K. & Panidis, Th., 2004, Experimental Investigation of Confined Coaxial Swirl Flow, Joint Meeting of the Greek and Italian Sections of The Combustion Institute, Corfu 2004, P24, pp 1-6 Koutmos P., 2000, Simulations of localized extinction in turbulent CH4 jet flames using a Lagrangian model for reactedness, Acta Astronautica, Volume 46, Issue 1, 1 January 2000, Pages 47-53 Koutmos, P. & Marazioti P., 2001, Identification of local extinction topology in axisymmetric bluff-body diffusion flames with a reactedness-mixture fraction presumed probability density function model, International Journal for Numerical Methods in Fluids, Volume 35, Issue 8, Pages: 939-959 Koutmos P., Papailiou D. & Bakrozis A., 2004, Experimental and computational study of square cylinder wakes with two-dimensional injection into the base flow region, European Journal of Mechanics - B/Fluids, Volume 23, Issue 2, March-April 2004, Pages 353-365 Marazioti P. E. & Koutmos P., 2003, A Study of flame front generated noise in lifted and attached C 3 H 8 jet diffusion flames, Third Meeting of the Greek Section of The Combustion Institute, Patras, P14, pp1-8. Papailiou, D., Koutmos P., Bakrozis A., 2000, Simulations of fuel injection and flame stabilization in the wake formation region of a slender cylinder, Proc. Combust. Inst. 28, pp 91 99. 34