Μελέτη Δυναμικής Φυσαλίδων Κατά Την Απαερίωση Υγρών

Abstract

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη και ο χαρακτηρισμός της διφασικής ροής που δημιουργείται κατά την απαερίωση ρέοντος υγρού μέσω αποσυμπίεσης. Συμπιεσμένο υγρό εμπλουτισμένο με διαλυμένο αέρα εγχέεται μέσω ακροφυσίου σε στάσιμο υγρό στήλης, το άνω άκρο της οποίας είναι ανοιχτό στην ατμόσφαιρα. Ο υπερκορεσμός του υγρού έγχυσης σε διαλυμένη αέρια φάση αποτελεί την κινούσα δύναμη της απαερίωσης. Η δημιουργία, ανάπτυξη και διασπορά των φυσαλίδων στο πεδίο ροής που δημιουργεί το ακροφύσιο, διαφοροποιεί την απαερίωση από τη διφασική ροή σε μια συμβατική στήλη φυσαλίδων. Η απαερίωση των υγρών λαμβάνει χώρα σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές αλλά και κατά τη διάρκεια των διαστημικών αποστολών, όπου επικρατούν συνθήκες μικροβαρύτητας (κατά την παραμονή των διαστημικών οχημάτων στη γήινη τροχιά) και υπερβαρύτητας (κατά την εκτόξευση στο διάστημα ή την επιστροφή στη γη). Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης της πίεσης λειτουργίας στην ανάπτυξη των φυσαλίδων απαερίωσης. Η παράμετρος της πίεσης λειτουργίας εμπεριέχει την ταυτόχρονη μεταβολή της παροχής και του υπερκορεσμού του ρεύματος έγχυσης σε διαλυμένη αέρια φάση. Έτσι, σε επόμενο στάδιο της μελέτης οι δυο αυτές μεταβλητές διαχωρίζονται πειραματικά και μελετώνται ξεχωριστά. Τέλος, μελετάται η ανάπτυξη των φυσαλίδων απαερίωσης υπό την τεχνητή επιβολή υπερβαρυτικών επιταχύνσεων έως 12 g, με την Φυγόκεντρο Μεγάλης Διαμέτρου του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος. Για τα πειράματα απαερίωσης σε συνθήκες γήινης βαρύτητας και υπερβαρύτητας κατασκευάστηκαν δυο συσκευές απαερίωσης μεγάλης και μικρής κλίμακας αντίστοιχα. Η μελέτη του πεδίου ροής προκύπτει από τις κατανομές χρόνου παραμονής του υγρού έγχυσης στη στήλη απαερίωσης με χρήση άλατος. Η φωτογράφιση και η κινηματογράφηση της διφασικής ροής παρέχει τις κατανομές μεγέθους των φυσαλίδων καθώς και την κατακόρυφη τοπική ταχύτητας της ροής, όπως προκύπτει από την τροχιά των φυσαλίδων στο επίπεδο. Η πρωτότυπη φασματοσκοπική τεχνική ηλεκτρικής εμπέδησης I-VED μετρά τοπικά την χρονική εξέλιξη του ογκομετρικού κλάσματος της εκροφούμενης αέριας φάσης στο διφασικό μέσο. Η τεχνική I-VED με χρήση πολύπλεξης καταγράφει το στιγμιαίο κλάσμα της αέριας φάσης σε τέσσερα διαφορετικά ύψη της στήλης ταυτόχρονα. Η κινητική της απαερίωσης μελετάται με την μέτρηση του διαλυμένου οξυγόνου στη ροή. Το πεδίο ροής χαρακτηρίζεται από έντονο τυρβώδες και συνθήκες ανάμιξης στο κάτω μέρος της στήλης απαερίωσης και εμβολική ροή απουσία ανάμιξης στο άνω μέρος αυτής. Οι φυσαλίδες παγιδεύονται στην ανακυκλοφορία του πυθμένα, αυξάνοντας τοπικά το ογκομετρικό κλάσμα της αέριας φάσης. H αύξηση της πίεσης λειτουργίας μειώνει το μέσο μέγεθος των φυσαλίδων, ενώ σε πιέσεις άνω των 400 kPa δημιουργούνται μακροφυσαλίδες στη ροή. Το ογκομετρικό κλάσμα εκροφούμενου αέρα αυξάνεται γραμμικά με την πίεση λειτουργίας. Ο μικρός χρόνος παραμονής των μακροφυσαλίδων στη στήλη μειώνει τοπικά τη συγκέντρωση της αέριας φάσης. Η αύξηση της παροχής του ρεύματος έγχυσης δημιουργεί περισσότερες φυσαλίδες μικρότερου μεγέθους, ενώ η αύξηση του υπερκορεσμού του αυξάνει είτε το μέγεθος είτε τον πληθυσμό των φυσαλίδων απαερίωσης. Η αύξηση της ταχύτητας άνωσης των φυσαλίδων στην υπερβαρύτητα μετατοπίζει τις κατανομές προς μικρότερα μεγέθη φυσαλίδων μειώνοντας το κλάσμα της αέριας φάσης, χωρίς ωστόσο να περιορίζει την απαερίωση. Κατά την περιστροφή της φυγόκεντρου, οι διατμητικές τάσεις και η δύναμη Coriolis μεταβάλλουν την ταχύτητα και την κατεύθυνση της ροής.