Suuttimen virtauksien tutkiminen virtauslaskenta ohjelmistolla - Nozzle flow study with computational fluid dynamics
Laukkala, Mikko (2020)
2020
Konetekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Mechanical Engineering, MSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004304826
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004304826
Tiivistelmä
Työssä tutkittaan Ansys CFX-ohjelmistolla suuttimen geometrian vaikutusta pisaran muodostumiseen ja pisarakokoon. Työssä selvitetään keinoja, miten suuttimen tehokkuutta pystytään kasvattamaan ja toiminta-aluetta laajentamaan. Työ toteutetaan käyttämällä CFD-laskentaohjelmistoa. Laskenta suoritetaan monifaasilaskentana, jossa käytetään MUSIG-mallia.
Teoriaosuudessa käsitellään perusperiaatteita monifaasilaskentaan liittyvästä virtausmekaniikasta. Työssä ei käsitellä yksifaasilaskentaa, johon monifaasilaskenta perustuu. Teoriaosuus on jaettu kahtia, jossa ensimmäisessä osassa käsitellään yleisellä tasolla monifaasilaskentaa. Osiossa käsitellään kaksifaasilaskentaan ja pisara mallinnukseen liittyvää teoriaa. Toisessa osiossa keskitytään tarkemmin Ansys CFX-ohjelmiston menetelmään laskea monifaasivirtauksia ja perehdytään, mitä CFD-ohjelmistossa pitää ottaa huomioon monifaasilaskentaa tehdessä.
Työn tutkimusosiossa käsitellään tutkimuksen eteneminen, sekä perehdytään tulosten tulkintaan. Työ suoritettiin Ansys CFX-ratkaisijalla ja laskenta menetelmä on ajasta riippumaton. Ansys CFX-valikoitui laskenta ohjelmaksi, sillä siitä oli eniten kokemusta vastaavanlaisista simulaatioista. Alkuperäisestä suuttimesta on olemassa kokeellista dataa, jonka pohjalta tehtiin vertailudata. Laskennan tulokset säädettään vastaamaan koeajotuloksia, laskennan asetuksia muuttamalla. Tähän laskentaan verrataan uusia laskentoja, jotka kertovat kehitys suunnan suuttimen pisarointi kyvyssä. Työ tuottaa vertailudataa suutinten välillä, mutta ei anna absoluuttista tulosta. Keskipisarakoko ja sen jakauma kertovat, onko laskentageometria parempi verrattaessa alkuperäiseen.
Työssä todettiin, että suutingeometria on hyvin herkkä pienillekin geometrian muutoksille. Kuitenkin CFD-laskennan perusteella onnistuttiin kehittämään geometria, joka pystyy tuottamaan pienenpää keskipisarakokoa. Koeajossa ilmeni kuitenkin ongelmia suuttimen toiminnassa, jotka vaativat lisäkehitystä. Laskentatavasta johtuen, suuttimien toiminnan varmistaminen koeajolla on ehdoton vaihe ennen suuttimen tuotteistamista. This thesis work studies the effect of nozzle geometry on droplet formation and size using Ansys CFX program. Methods for improving nozzle efficiency and covering area are also investigated. The work is done using a computer based CFD program. Calculations are solved with multiphase equations, using a MUSIG model. They are calculations are based on Navier-Stokes equations.
Theory section goes through basic principles of multiphase flow calculations in flow mechanics. This thesis does not address single phase flow, upon which multiphase flow is based on. The theory section is divided into two parts. The first part deals with multiphase flow in general, two phase flow and droplet simulation theories. The second part deals with Ansys CFX program and the methods it uses to calculate multiphase flows, and what must be considered when performing multiphase calculations.
The analysis section goes through the process of study and takes a look at how the results are interpreted. The study was done with Ansys CFX solver as a steady state flow calculation. Ansys CFX was chosen, because of previous experience in solving similar tasks in the past. There is experimental data from the original nozzle, which was used as reference data. Calculation results were made to resemble reference data by adjusting the solver settings. This gave the results to which new calculations could be compared to, in order to show development of nozzle droplet forming ability. This gives comparison data between nozzles but does not give absolute results. Median droplet size and droplet deviation show is the geometry is better compared to the original.
Study found out that the nozzle geometry was very sensitive to slightest geometry alterations. Nevertheless, with CFD calculations a geometry was found, which could produce smaller average droplets. During test runs, some problems occurred with nozzle functionality, which require further investigation and study. Due to the nature of the calculations, nozzle functionality has to be verified with test runs before productization.
Teoriaosuudessa käsitellään perusperiaatteita monifaasilaskentaan liittyvästä virtausmekaniikasta. Työssä ei käsitellä yksifaasilaskentaa, johon monifaasilaskenta perustuu. Teoriaosuus on jaettu kahtia, jossa ensimmäisessä osassa käsitellään yleisellä tasolla monifaasilaskentaa. Osiossa käsitellään kaksifaasilaskentaan ja pisara mallinnukseen liittyvää teoriaa. Toisessa osiossa keskitytään tarkemmin Ansys CFX-ohjelmiston menetelmään laskea monifaasivirtauksia ja perehdytään, mitä CFD-ohjelmistossa pitää ottaa huomioon monifaasilaskentaa tehdessä.
Työn tutkimusosiossa käsitellään tutkimuksen eteneminen, sekä perehdytään tulosten tulkintaan. Työ suoritettiin Ansys CFX-ratkaisijalla ja laskenta menetelmä on ajasta riippumaton. Ansys CFX-valikoitui laskenta ohjelmaksi, sillä siitä oli eniten kokemusta vastaavanlaisista simulaatioista. Alkuperäisestä suuttimesta on olemassa kokeellista dataa, jonka pohjalta tehtiin vertailudata. Laskennan tulokset säädettään vastaamaan koeajotuloksia, laskennan asetuksia muuttamalla. Tähän laskentaan verrataan uusia laskentoja, jotka kertovat kehitys suunnan suuttimen pisarointi kyvyssä. Työ tuottaa vertailudataa suutinten välillä, mutta ei anna absoluuttista tulosta. Keskipisarakoko ja sen jakauma kertovat, onko laskentageometria parempi verrattaessa alkuperäiseen.
Työssä todettiin, että suutingeometria on hyvin herkkä pienillekin geometrian muutoksille. Kuitenkin CFD-laskennan perusteella onnistuttiin kehittämään geometria, joka pystyy tuottamaan pienenpää keskipisarakokoa. Koeajossa ilmeni kuitenkin ongelmia suuttimen toiminnassa, jotka vaativat lisäkehitystä. Laskentatavasta johtuen, suuttimien toiminnan varmistaminen koeajolla on ehdoton vaihe ennen suuttimen tuotteistamista.
Theory section goes through basic principles of multiphase flow calculations in flow mechanics. This thesis does not address single phase flow, upon which multiphase flow is based on. The theory section is divided into two parts. The first part deals with multiphase flow in general, two phase flow and droplet simulation theories. The second part deals with Ansys CFX program and the methods it uses to calculate multiphase flows, and what must be considered when performing multiphase calculations.
The analysis section goes through the process of study and takes a look at how the results are interpreted. The study was done with Ansys CFX solver as a steady state flow calculation. Ansys CFX was chosen, because of previous experience in solving similar tasks in the past. There is experimental data from the original nozzle, which was used as reference data. Calculation results were made to resemble reference data by adjusting the solver settings. This gave the results to which new calculations could be compared to, in order to show development of nozzle droplet forming ability. This gives comparison data between nozzles but does not give absolute results. Median droplet size and droplet deviation show is the geometry is better compared to the original.
Study found out that the nozzle geometry was very sensitive to slightest geometry alterations. Nevertheless, with CFD calculations a geometry was found, which could produce smaller average droplets. During test runs, some problems occurred with nozzle functionality, which require further investigation and study. Due to the nature of the calculations, nozzle functionality has to be verified with test runs before productization.