Μελέτη διφασικής αντιρροής σε κατακόρυφο κανάλι με μικρό διάκενο

Abstract

Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη της αντιρροής υγρού-αερίου σε κατακόρυφο κανάλι ορθογωνικής διατομής μικρού διακένου (1cm) και σχετικά μικρού μήκους (38cm). Στη διατριβή μελετώνται πειραματικά βασικά ρευστοδυναμικά χαρακτηριστικά της υγρής στιβάδας (όπως το πάχος της στιβάδας και η διατμητική τάση του υγρού στο τοίχωμα) σε συνθήκες αντιρροής με αέρα, ενώ ιδιαίτερη έμφαση δίνεται και στα χαρα- κτηριστικά της ελευθέρως ρέουσας στιβάδας τα οποία θεωρείται ότι προκαθορίζουν σε σημαντικό βαθμό την εξέλιξη της αντιρροής των δύο φάσεων. Στα πειράματα χρησιμο- ποιήθηκε ατμοσφαιρικός αέρας ο οποίος εισέρχεται από το κάτω μέρος του καναλιού μέσω ειδικά διαμορφωμένου τμήματος, το οποίο εξασφαλίζει την ομαλή είσοδό του και την ελαχιστοποίηση των διαταραχών της ροής του στην περιοχή εκείνη (στο κάτω μέ- ρος του καναλιού) όπου έρχεται για πρώτη φορά σε επαφή με την υγρή στιβάδα. Ως υγρή φάση χρησιμοποιήθηκε νερό, υδατικά διαλύματα βουτανόλης 1.5% και 2.5% και ένα ηλεκτροχημικό διάλυμα, προκειμένου να εξεταστεί η επίδραση της επιφανειακής τάσης του υγρού στη διαμόρφωση της ροής. Η υγρή φάση τροφοδοτείται στο κανάλι από το πάνω μέρος του, μέσα από ειδικά κατασκευασμένο πορώδες τοίχωμα ώστε να εξασφαλίζεται η ομοιόμορφη κατανομή της στο εσωτερικό του καναλιού. Τα πειράματα διεξήχθησαν σε σχετικά χαμηλούς αριθμούς Reynolds υγρού, ReL (<350), για τους οποίους, δεδομένου του μικρού μήκους του καναλιού, η ροή της υγρής στιβάδας είναι υπό διαμόρφωση. Η εργασία περιλαμβάνει οπτικές παρατηρήσεις και ψηφιακή καταγραφή της ροής, ενώ παράλληλα μετρώνται -σε διάφορες θέσεις κατά μήκος της ροής- το πάχος της υγρής στιβάδας, εφαρμόζοντας μια αγωγιμομετρική τεχνική και η διατμητική τάση υγρού-τοιχώματος, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ηλεκτροδιάχυσης. Η στατιστική ανάλυση των πειραματικών δεδομένων οδηγεί στον προσδιορισμό της τοπικής μέσης χρονικής τιμής και της τυπικής απόκλισης του πάχους της υγρής στιβάδας, ενώ παρόμοια στατιστικά δεδομένα εξάγονται από τις τοπικές μετρήσεις της διατμητικής τάσης υγρού-τοιχώματος8 Ι# . Επιπροσθέτως, με περαιτέρω επεξεργασία των χρονο-σειρών του πάχους προκύπτουν βασικά χαρακτηριστικά των διεπιφανειακών κυμάτων, όπως είναι η κύρια συχνότητα εμφάνισής τους, η ταχύτητά τους, το μήκος και το ύψος τους. Στην περίπτωση της ελευθέρως ρέουσας στιβάδας, οι οπτικές παρατηρήσεις δεί- χνουν ότι παρόλο που η μείωση της επιφανειακής τάσης προκαλεί τη μείωση της από- στασης από την είσοδο του υγρού όπου εμφανίζονται οι πρώτοι κυματισμοί στην επι- φάνεια της στιβάδας, η περαιτέρω διαμόρφωση της ροής του υγρού (σε μεγαλύτερες αποστάσεις από το σημείο εισόδου του) δεν διαφοροποιείται μεταξύ των υγρών που χρησιμοποιήθηκαν. Τα νέα πειραματικά δεδομένα του πάχους στιβάδας δείχνουν ότι για τιμές ReL>200 η τυπική απόκλιση του πάχους τείνει να σταθεροποιηθεί σε όλες τις θέσεις μέτρησης. Παρόμοια ασθενή εξάρτηση από την παροχή του υγρού, για την ίδια περιοχή τιμών τού ReL, εμφανίζουν η ταχύτητα και το ύψος των κυμάτων για όλα τα υγρά που εξετάστηκαν. Η κύρια συχνότητα των κυμάτων, η οποία μειώνεται με αύξηση της απόστασης από το σημείο εισόδου του υγρού, φαίνεται να μη μεταβάλλεται με τον ReL. Τα χαρακτηριστικά των σχεδόν διδιάστατων κυμάτων, που αναπτύσσονται κοντά στην περιοχή εισόδου του υγρού, είναι σε ικανοποιητική συμφωνία με τα αποτελέσμα- τα ανάλυσης ευστάθειας της ροής, τα οποία υποδεικνύουν μια περισσότερο ασταθή δομή για τα διαλύματα βουτανόλης, έναντι εκείνης του νερού. Όσον αφορά στα κύμα- τα που αναπτύσσονται κοντά στην έξοδο του υγρού αυτά είναι τρισδιάστατα και σαφώς πιο ενισχυμένα -έναντι των προαναφερόμενων διδιάστατων κυμάτων- και όπως έδειξε η ανάλυση των δεδομένων της διατμητικής τάσης υγρού-τοιχώματος φαίνεται ότι επηρε- άζουν και τις συνθήκες ροής του υγρού κοντά στο τοίχωμα.