Simulering av strømning i en diffusor med ruhet på en vegg

Abstract

SammendragDenne masteroppgaven har tatt for seg beregninger av en spesiell diffusor geometri som er utviklet ved institutt for energi og prosessteknikk ved Norges teknisk-naturvitenskaplige universitet. Denne diffusor geometrien produserer likevekts-strømning som er den raskeste måten energien kan gjennvinnes på og som derfor gir de minste tapene. Beregningene er utført ved hjelp av kommersielt numerisk beregningsverktøy ANSYS Fluent 14.5. Diffusoren har blitt beregnet i orginal likevekts form med glatte vegger, og for industrielle applikasjoner noe som i dette tilfelle betyr at den ene veggen har blitt tilført k-type ruhetselementer. Resultatene av beregningene av den orginale likevekts diffusoren har blitt validert mot de fysiske målingene utført i [17]. Resultatene av beregningene når diffusoren har blitt tilført k-type ruhetselementer har blitt validert mot de fysiske målingene utført i [43]. Etter beregningene har blitt validert, er de sammenlignet for å forklare hvilken mekanisme som forårsakt separasjon i diffusoren med k-type ruhets elementer.Beregningene på den orginale likevekts diffusoren har blitt utført ved hjelp av k-ω SST, k-ε RNG of Spalart-Allmaras turbulens modeller. Modellene viste god overensstemmelse med målingene i [17], dog påviser ingen av modellene tilsvarende likevekts-strømning som målt i [17]. Spalart-Allmaras modellen ble vurdert som den modellen som produserte best resultater på bakgrunn av at den viste størst tendenser til konstante likevektsparametre i det aktuelle likevektsområdet i [17]Beregningene på den orginale likevekts diffusoren har blitt utført ved hjelp av k-ω SST, Standard k-ω, k-ε RNG, k-ε Realizable, RSM og Spalart-Allmaras turbulens modeller. Når diffusoren var dekket av k-type ruhetselementer var spredningen relative stor i de produserte resultatene for de forskjellige turbulens modellene. Det ble funnet at turbulens modellen som gav de beste resultatene for den massive grensesjiktseparasjonen i diffusoren dekket av ruhetselementer var Spalart-Allmaras modellen.Sammenligningen av de to beregningene viser at k-type ruhetselementene gir en betydelig økning av fortregnings og bevegelsesmengdetykkelsen. Bidraget fra de økte fortregnings og bevegelsesmengdetykkelsene er mye kraftigere enn bidraget fra den økte turbulente miksingen som ruhetslementene også skaper. Dette fører til at grensesjiktet ikke klarer å overvinne den ugunstige trykkgradienten i diffusoren og dermed separerer grensesjiktet.