Kesit Değişiminin İki Fazlı Akışın yerel Parametrelerine Etkisi

Abstract

Bu çalışmada, endüstriyel sistemlerde kullanılan kesit değişimlerinden tedrici genişleme ve tedrici daralmaya sahip yatay kanaldan geçen iki fazlı hava-su akışının parametreleri (boşluk oranı, kabarcık hızı, kabarcık çapı, ara yüzey alanı ve basınç kaybı) deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler, yerel değerlerin ölçülebilmesine olanak sağlayan ikili optik prop, akış görüntülemede kullanılan hızlı kamera ve kanal boyunca basınç düşüşü ölçümünde kullanılan basınçölçerler yardımıyla yapılmıştır. Su debisi 180 lt/dak, hava debisi 30, 50 ve 60 lt/dak olarak alınmış ve böylece iki fazlı akış için hacimsel boşluk oranı değerleri sırasıyla % 13.87, 21.74 ve 25.31 olarak hesaplanmıştır. Çalışma kapsamında incelenen akış ayrıca, sabit kabarcık çapı yaklaşımıyla oluşturulan bir modelle sayısal olarak modellenmiştir. Yapılan deneyler ve sayısal çalışma sonucunda, tedrici genişlemenin yerel boşluk oranı değeri ve kabarcık çapını artırdığı; kabarcık hızını azalttığı belirlenmiştir. Tedrici daralmada ise yerel boşluk oranı değerinin ve kabarcık çapının azaldığı; kabarcık hızının arttığı görülmüştür. İki fazlı basınç düşüşü hacimsel boşluk oranıyla orantılı olarak değişmektedir. Tedrici genişleme durumu için elde edilen sayısal sonuçlar deneysel verilerle uyum göstermektedir. Sabit kabarcık çapı yaklaşımı tedrici daralmadan geçen akışı modellemede yetersiz kalmaktadır. Daha doğru sonular için kabarcık etkileşimlerinin de dahil edildiği bir sayısal modelleme önerilmektedir.

In this study, parameters of air-water flow (void fraction, bubble velocity, bubble size, interfacial area and pressure drop) through horizontal pipe having smooth expansion and smooth contraction are experimentally investigated. Experiments are conducted by dual optical probe that measures the local values of the parameters, high-speed camera to visualize the flow, and pressure transducers to determine the pressure drop along the pipe. Flow rate for water is kept constant at 180 l/min, while those for air are taken as 30, 50 and 60 l/min. Thus, volumetric void fraction of the two-phase flow is calculated to be 13.87, 21.74 and 25.31 %, respectively. Numerical modeling of the two-phase flow is also performed by using the approximation of constant bubble diameter. As a result, it is concluded that the smooth expansion increases the local void fraction and the bubble diameter while decreases the bubble velocity. It can also be stated that the smooth contraction causes the local void fraction and the bubble diameter to decrease, and the bubble velocity to increase. Two-phase pressure drop proportionally changes with the volumetric void fraction. Numerical results obtained for the smooth enlargement are comparable with the related experimental data. However, numerical modeling using the constant bubble diameter approximation is inadequate to simulate the characteristics of the two-phase flow through the smooth contraction. Results can be improved by employing a model that is considering bubble interactions such as break-up and/or coalescence.