Ανάλυση ροής ασυμπίεστου ρευστού με χρήση σωματιδίων - μέθοδος υδροδυναμικής ρεόντων σωματιδίων(SPH)

Abstract

Η εργασία αυτή αποτελεί μια απόπειρα εισαγωγής στην υπολογιστική μέθοδο της Υδροδυναμικής Ρεόντων Σωματιδίων (Smoothed Particle Hydrodynamics – SPH), με μελέτη απλών ροών και προοπτική τη μελέτη βαλβίδας – ακροφυσίου που είναι σημαντικό τμήμα ενός υδροστροβίλου Pelton αλλά και γενικότερα μηχανολογικό στέλεχος με διάφορες άλλες εφαρμογές. Η μοντελοποίηση της ροής αποτελεί ένα πρώτο βήμα στη διαδικασία υδροδυναμικής βελτιστοποίησης τμημάτων υδροστροβίλων αλλά και οποιασδήποτε παρόμοιας μηχανής με απώτερο σκοπό τη μείωση των υδραυλικών απωλειών και τη βελτίωση της λειτουργικής συμπεριφοράς τους. Η προσομοίωση με τις κλασσικές μεθόδους της Υπολογιστικής Μηχανικής που βασίζονται στη θεώρηση Euler, δείχνει να αντιμετωπίζει προβλήματα σε πολύπλοκες, διφασικές ή και μη-μόνιμες ροές με ελεύθερη επιφάνεια, όπως στη δέσμη που δημιουργείται στη βαλβίδα-ακροφύσιο και που προσκρούει στο σκαφίδιο ενός υδροστροβίλου Pelton. Γι αυτό έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι που βασίζονται στην Λαγκρανζιανή μελέτη της ροής και τέτοια είναι η SPH, κατά την οποία το ρευστό προσομοιώνεται με ένα στατιστικά αντιπροσωπευτικό σύνολο σωματιδίων ρευστού, οι τροχιές των οποίων υπολογίζονται με αριθμητικές μεθόδους. Στην παρούσα εργασία, χρησιμοποίηθηκε για το σκοπό αυτό κώδικας γραμμένος σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN που αναπτύχθηκε και συνεχίζει να αναπτύσσεται στα πλαίσια της σχετικής ερευνητικής προσπάθειας του Εργαστηρίου Υδροδυναμικών Μηχανών του ΕΜΠ. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν για την αναπαράσταση των αποτελεσμάτων τα πακέτα λογισμικού TecPlot και GRAPHER.

This work is an attempt to introduce and apply the Method of Smoothed Particle Hydrodynamics – SPH, with the study of simple fluid flows and with a perspective of studying the valve-nozzle which is an important part of a Pelton hydroturbine as well as a mechanical part with various other applications . The modeling of fluid flow is a first step to the process of hydrodynamic optimization of parts of hydroturbines and of anyother analogous machine in order to reduce the hydraulic loss and to improve the operational behavior . The simulation with the classical methods of Computanional Mechanics based on the Eulerian approach seems to confront problems on complex, two-phase and/or non-steady flows with a free surface, like the jet that is created within the valve-nozzle and impinges onto a bucket of a Pelton hydroturbine. For this reason, methods following the Langrangian study of a flow have been developed, and one of those is SPH, according to which the fluid is simulated with a statistically representative set of fluid particles and the tracks of them are computed numerically. In the present work, a computer code in Fortran language is used, which has been developed in the Lab of Hydraulic Turbomachines.