Υπολογιστική ρευστομηχανική ανάλυση ροής φυσικού αερίου σε αγωγούς υψηλής πίεσης

Abstract

Σκοπός της πτυχιακής εργασίας είναι η εκμάθηση ενός γνωστού προγράμματος υπολογιστικής ρευστομηχανικής (ANSYS Fluent) και η εκτέλεση προσομοιώσεων για τη ροή φυσικού αερίου εντός αγωγού διαφορετικής εσωτερικής διαμόρφωσης υπό συνθήκες υψηλής πίεσης. Η προσέγγιση του φυσικού αερίου γίνεται αρχικά με τον τρόπο που προτείνεται σε βιβλιογραφικές πηγές, δηλαδή το φυσικό αέριο θεωρείται μόνο μεθάνιο. Στη συνέχεια έγινε προσέγγιση του φυσικού αερίου ως διφασικό μίγμα, με δευτερεύουσα φάση το άζωτο. Κάθε περίπτωση εξετάστηκε σε δύο διαφορετικά διαμορφωμένους αγωγούς. Στην πρώτη διαμόρφωση ο αγωγός δεν έχει εσωτερικά πλάκα στομίου όπου μειώνεται η διατομή και αυξάνεται εσωτερικά η πίεση. Η δεύτερη διαμόρφωση έχει πλάκα στόμιο και παρατηρούνται ενδιαφέροντα φαινόμενα στο σημείο αυτό. Αρχικά παρουσιάζεται η διαδικασία σχεδιασμού και διακριτοποίησης σε τετράπλευρα κελιά των δύο διαφορετικών γεωμετριών και στη συνέχεια όλες οι συνθήκες που ορίζονται στο Fluent πριν την έναρξη των υπολογισμών. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ιστορική αναδρομή για την εξέλιξη του φυσικού αερίου, αναφέρονται οι κατηγορίες αερίων και γίνεται μια εκτενέστερη περιγραφή στο τρόπο σχηματισμού και τις μορφές του φυσικού αερίου. Στη συνέχεια περιγράφεται η ροή ρευστών σε αγωγούς καθώς και οι διαφορές στην περίπτωση ροής φυσικού αερίου. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στον κλάδο των πολυφασικών ροών, στις εφαρμογές του φυσικού αερίου στην βιομηχανία και μια βασική εισαγωγή στον κλάδο της υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Τέλος, περιγράφονται τα μοντέλα τύρβης που χρησιμοποιήθηκαν στην πτυχιακή. Τα τελευταία κεφάλαια παρουσιάζουν τα αποτελέσματα για τρεις διαφορετικές παροχές ροής, 40, 80 και 120 kg/s για δισδιάστατο αγωγό. Ωστόσο, για καλύτερες συγκρίσεις και εξαγωγή συμπερασμάτων οι καλύτερες διφασικές περιπτώσεις προσομοιώνονται και σε τρισδιάστατη γεωμετρία. Οι προσομοιώσεις γίνονται με το πιο ρεαλιστικό διφασικό μοντέλο Volume Of Fluid (VOF) και χρησιμοποιούνται τα τρία k-ε μοντέλα τύρβης. Τέλος, εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα που αφορούν την πτώση πίεσης, την κατανομή της ταχύτητας και το κλάσμα όγκου του αζώτου εντός του αγωγού και συγκεκριμένα στην κεντρική ροϊκή γραμμή που συνδέει το κέντρο της εισόδου με την έξοδο.