Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technikai Intézet SZAKDOLGOZAT. Durai Pál

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technikai Intézet SZAKDOLGOZAT A CFX kód validációja hőmérsékleti rétegződések PIV mérései alapján Durai Pál Témavezető: Konzulens: Dr. Aszódi Attila egyetemi tanár Yamaji Bogdán Tanszéki mérnök BME Nukleáris Technika Intézet, Atomenergetika Tanszék BME 212

1

A szakdolgozat kiírása Szakdolgozat címe: Témavezető neve: Témavezető intézménye: Konzulens neve: Konzulens intézménye: A CFX kód validációja hőmérsékleti rétegződések PIV mérései alapján Dr. Aszódi Attila Nukleáris Technika Intézet Yamaji Bogdán Nukleáris Technika Intézet Leírás: A nukleáris iparban számos olyan berendezés található, amelyek biztonságos működését alapvetően meghatározzák az abban kialakuló természetes áramlások és rétegződések, ezért ezen jelenségek vizsgálata különös fontossággal bír a nukleáris biztonság szempontjából. A modern háromdimenziós termohidraulikai programok az eddigi tapasztalat szerint képesek az ilyen berendezésekben kialakuló, többnyire meglehetősen bonyolult áramlások számítására, a szimulációk hibáját azonban nem minden esetben tudjuk kvantifikálni. A szimulációk pontosságának értékeléséhez ezért elengedhetetlen számítások kísérletekkel való összevetése, azaz a validáció. A BME NTI-ben 27-ben indul egy átfogó kísérletsorozat, amely két kísérleti berendezés (első és második akvárium berendezések) segítségével természetes áramlásos keveredési alapjelenségek vizsgálatát, és annak numerikus modellezését célozza. A diplomamunka célja méréstechnikai tapasztalat szerzése a második akvárium kísérleti berendezés telepítése és beüzemelése során, valamint a validációs szimuláció elvégzése. A munka során a diplomázó részt vesz a második akvárium kísérleti berendezés beüzemelésében és a kísérleti program végrehajtásában. Részt vesz továbbá a termoelemes hőmérsékletmérő rendszer telepítésében és kalibrálásában. Önállóan méréseket végez a termoelemes és a PIV rendszer segítségével, majd a CFX háromdimenziós termohidraulikai kód segítségével elkészíti a kísérletek numerikus szimulációját és a szimulációs eredmények mérésekkel való összevetését. 2

3

Önállósági nyilatkozat: Alulírott, Durai Pál (T2K6A8), a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Természettudományi Karának fizika BSC szakos hallgatója, büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és sajátkezű aláírásommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával jelöltem. Budapest, 212. május 31.... Durai Pál 4

5

TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés... 7 1.1. Célkitűzések... 7 1.2. Elvek és módszerek... 7 1.2.1. A PIV méréstechnika... 8 1.2.2. CFD modellezés... 1 1.2.3. Hőmérséklet és tömegáram mérés... 11 2. PIV mérések... 12 2.1. Kísérleti berendezés... 12 2.2. Mérési elrendezés... 15 2.3. Mérés... 16 2.3.1. M1 mérés... 19 2.3.2. M2 mérés... 27 2.3.3. M3 mérés... 36 2.3.4. M4 mérés... 43 2.4. Kiértékelés... 53 3. CFD számítások... 54 3.1. Modell és háló... 54 3.2. Peremfeltételek és futtatás... 58 3.3. Összehasonlítás... 59 4. Konklúzió... 67 5. Köszönetnyilvánítás... 68 6. Irodalomjegyzék... 68 6

1. Bevezetés A nukleáris technikában az egyik legfontosabb kérdés a biztonság. Egy atomreaktor esetén ez legfőképpen abban nyilvánul meg, hogy üzemzavar vagy esetleges baleseti szituáció esetén is megőrizhető legyen az üzemanyag épsége. Erre szolgálnak többek között a beépített különböző szintű, egymásra épülő mérnöki gátak. Azonban ezekkel párhuzamosan az egyik legfontosabb követelmény, hogy a reaktor hűtését üzemzavar esetén is folyamatosan biztosítani kell. Ezt a feladatot a paksi atomerőműben az úgynevezett kis- és nagynyomású ZÜHR (Zóna Üzemzavari Hűtő Rendszer) látja el. A nagynyomású ZÜHR működése közben stagnáló áramlások és hőmérsékleti rétegződések alakulhatnak ki. Ennek kiszámítására a paksi atomerőműben a hőmérsékleti rétegződés modellezésére alkalmazott fél-empirikus megközelítésen alapuló REMIX kódot alkalmazzák, melyet a nyolcvanas évek közepén fejlesztettek ki az NRC (US Nuclear Regulatory Commission amerikai Nukleáris Biztonsági Hatóság) részére. A kódban szereplő modellek ellenőrzésekor kapott kísérleti eredményeket tartalmazó adatbázis lényegében már nem hozzáférhető. Éppen ezért a REMIX kód VVER-specifikus alkalmazása szimulációs és kísérleti validálást igényel [1]. 1.1. Célkitűzések A Nukleáris Technika Intézetnél elindult egy kód validációs program, melyben a numerikus és a kísérleti módszerek kombinációjával próbálják meg validálni a hőmérsékleti rétegződési számítási modellek VVER-specifikus alkalmazhatóságát. A mérési program során Computational Fluid Dynamics (CFD) modelleket kell ellenőrizni olyan egyszerű geometriában, melyben egy adott háromdimenziós fizikai folyamatot (hőmérsékleti rétegződést) önmagában lehetséges vizsgálni [1]. Ennek része szakdolgozatom témája, mely során Particle Image Velocimetry (PIV) technika segítségével szeretnénk validálni CFD kóddal végrehajtott számításokat. 1.2. Elvek és módszerek 7

A mérések során PIV technikát alkalmaztam a kísérleti berendezésben kialakult sebességmező rögzítésére, és nyolc termoelemből álló sort a hőmérséklet eloszlás megfigyelésére. A CFD modellezést és számításokat az ANSYS CFX program segítségével végeztem. 1.2.1. A PIV méréstechnika A PIV (Particle Image Velocimetry) olyan modern méréstechnika, amellyel mind folyékony, mind pedig légnemű halmazállapotú közegek esetén egyaránt beavatkozás-mentesen vizsgálhatók az áramlások. Nagy előnye, hogy nagyon széles körben tág sebesség- és sűrűségtartományban használható. Ezen kívül különösen jól használható olyan környezetben, ahol a hagyományos mérési módszerek csődöt mondanak az agresszív anyagok jelenléte miatt, vagy egyszerűen csak azért, mert túlzottan befolyásolnák az áramlási képet. Legnagyobb előnye mégis az, hogy képes egy adott időpillanatban meghatározni egy kétdimenziós sebességprofilt egy adott áramlási keresztmetszetben [4]. A PIV mérési berendezés egy nagy teljesítményű impulzus üzemű lézerből, egy nagy felbontású, duplikált mátrix-szal rendelkező CCD kamerából, nyomjelző részecskékből valamint a kiértékelő szoftverből áll. A mérés menete az 1. ábrán látható. 1. ábra PIV mérés menete [5] Az impulzus üzemű lézer fényét egy hengeres lencse segítségével kétdimenziós fénysíkká alakítja egy speciális optika. Az így átalakított lézer nyalábbal megvilágítják az áramlási térbe helyezett nyomjelző részecskéket abban a síkban, 8

melyben az elmozdulásokat szeretnénk vizsgálni. A dual-lézer t időkülönbséggel két impulzust bocsájt ki. A lézerfény által megvilágított síkra merőlegesen elhelyezett CCD kamera szoftveres összeköttetésben áll magával a lézerrel a vezérlő szoftveren keresztül. A szoftver segítségével a kamera a lézer által kibocsájtott impulzusokkal egy időben egy-egy képet készít az áramlási térről. A kamera olyan optikai leképező rendszerrel van ellátva, ami csak a detektálni kívánt hullámhossz szűk tartományában enged át fényt jelen esetben ez a hullámhossz megegyezik a lézer által kibocsájtott nyaláb hullámhosszával. Mivel a kamerába a lézer fénye csak a nyomjelző részecskékről visszaverődve juthat el, a készített képeken meghatározható lesz az éppen a fénysíkban tartózkodó részecskék pozíciója. A kiértékelő szoftver a kamera által rögzített tartományt kisebb kiértékelési tartományokra osztja. A két kép alapján minden olyan részecskéhez, mely mindkét képkockán beazonosítható azaz nem hagyta el a megvilágítási síkot vagy az adott kiértékelési tartományt, meghatároz egy x elmozdulás vektort. Ezután a kiértékelési tartományhoz tartozó részecskék elmozdulás értékeiből korrelációval meghatároz egy a kiértékelési tartományra jellemző X elmozdulás vektort. Majd a két felvétel között eltelt t idő segítségével meghatároz egy átlagos sebesség vektort, és ezt a kiértékelési tartomány középpontjához rendeli. V X t = (1) A kiértékelési tartomány méretének megfelelő megválasztásával meghatározható a lézer síkjában a kamera által megfigyelt tartományban az áramlási kép. A megfelelő tartományméret meghatározásához ismernünk kell előre a részecskék sebességét, és ügyelnünk kell arra, hogy az aktuális legnagyobb sebesség mellett is a részecskék nagy része ne tegyen meg a tartományra jellemző méretnél nagyobb utat a két impulzus között eltelt időben [4]. A kísérlet során használt lézernek gyors egymásutánban kell két azonos intenzitású impulzust kibocsájtania, hogy a két kép között ne legyen jelentős intenzitásbeli különbség, mert az rontaná a képek kiértékelhetőségét. Ez általában úgy oldható meg, hogy két azonos teljesítményű lézer kimenetét közösítik a megfelelő optika felhasználásával még a sík leképezése előtt. Így elérhető, hogy nagyon kis időkülönbség esetén is azonos intenzitású legyen a két kibocsájtás. A 9

jelen méréshez használt lézer is ilyen úgynevezett kettős impulzusú Nd-YAG lézer λ = 532 nm hullámhosszal. A PIV mérés során alkalmazott nyomjelző részecskékkel szemben támasztott nagyon fontos követelmény, hogy együtt kell mozogniuk az áramló közeggel. Éppen ezért olyan anyagból készülnek, amelynek sűrűsége közel megegyezik az áramló anyag sűrűségével, és általában gömb alakúak, hogy ne befolyásolják jelentősen az áramlást. Ezen kívül jó fényvisszaverő képességgel kell rendelkezniük. A fentiekből egyértelműen következik, hogy különböző áramló közeg esetén különböző anyagú és esetleg különböző méretű részecskéket kell alkalmazni: vízben általában polimer-, poliamid- vagy üreges üveggyöngyöket alkalmaznak 5 és 1 µm közötti átmérővel. A jelen mérések során 5 µm átmérővel rendelkező poliamid részecskéket használtunk. A mérés során alkalmazott kamerának szintén meg kell felelnie különböző speciális elvárásoknak. Ezek közül a legfontosabb, hogy rögzíteni tudjon két képet nagyon kis időkülönbséggel. Ez például úgy oldható meg, hogy az alkalmazott kamera CCD mátrixa dupla pixeleket tartalmaz, és külön pixelekre történik a két kép rögzítése. A méréshez használt kamera 12 x 16 pixel felbontóképességgel rendelkezik, és minden pixele dupla pixel. A fentieken kívül a mérés elengedhetetlen kelléke a megfelelő kiértékelő szoftver, ami összehangolja a lézer és a kamera működését, és feldolgozva a nyers mérési adatokat értékelhető eredményt szolgáltat. A kiértékelő szoftver tehát szerves részét képezi a mérőberendezésnek, ezért a kiértékeléshez a Dantec Dynamics által fejlesztett Dynamic Studio szoftvert használtam. 1.2.2. CFD modellezés A CFD (Computational Fluid Dynamics Áramlástani Numerikus Szimuláció ) terminológia olyan számítógépes áramlástani modellezés összefoglaló neve, mely a véges térfogatok módszerének és különböző numerikus módszerek felhasználásával old meg bonyolult áramlástani problémákat. Ehhez olyan komplex számítógépes szoftverre van szükség, amilyen például az ANSYS CFX. Egy áramlástani probléma CFX szoftverrel történő modellezése a következő öt alapvető lépésből áll: Modellezendő geometria megalkotása valamilyen tervező szoftverrel (pl. ANSYS ICEM CFD, AutoCAD, Solid Edge, ) 1

Véges térfogatok módszerének alkalmazásához előkészítés a geometria térfogatelemekre bontása, úgynevezett hálózás (pl. ANSYS ICEM CFD) Peremfeltételek és futtatási paraméterek beállítása (CFX-Pre) Számítás futtatása (CFX-Solver) Kiértékelés (CFX-Post) A geometriai modell és a háló elkészítéséhez az ANSYS ICEM CFD, míg a futtatáshoz, a szükséges beállításokhoz és kiértékeléshez az ANSYS CFX szoftvercsomag 13. verziószámú változatát használtam. 1.2.3. Hőmérséklet és tömegáram mérés A mérés során a nagyakváriumban lévő víz hőmérsékletének változását nyolc termoelemből álló termoelemsor segítségével határoztuk meg. A termoelemeket magában foglaló pálca (lásd 2.ábra) hossza az akvárium magasságával egyezik meg, a nyolc darab termoelem a 3. ábrának megfelelően van elosztva a hossz mentén. 2. ábra: A termoelem sor rögzítése a fedőlapon A termoelemek jelét egy soros porton keresztül számítógépre vezettük és ott digitálisan feldolgoztuk és rögzítettünk egy külön erre a célra írt szoftverrel, melyet 11

Szabó Bálint tudományos munkatárs készített. Ez a szoftver dolgozta fel még ezen kívül a belépő és kilépő ágakra szerelt átfolyásmérők jeleit is, melyekkel a belépő közeg tömegáramát és sebességét határoztuk meg. 3. ábra: A termoelem sor és az egyes termoelemek elhelyezkedése a pálca mentén 2. PIV mérések 2.1. Kísérleti berendezés A kísérletsorozatban geometriai modellnek egy egyszerű akvárium lett kiválasztva, hogy az erőforrásokat a bonyolult modell geometria és az összetett folyamatok vizsgálata helyett az alapvető fizikai jelenségek megfigyelésére lehessen fordítani. Két különböző méretű, de hasonló geometriájú kísérleti berendezés készült. Az első kísérleti berendezésen (úgynevezett Kisakváriumon) végrehajtott mérések ([2],[3]) során szerzett tapasztalatok alapján készült a második kísérleti berendezés (nagyakvárium). A nagyakvárium nagyobb mérete miatti magasabb nyomás, és a jobb hőmérséklettűrés érdekében az oldallapok 2 mm vastagságú plexi lapból készültek, 12

ellentétben a Kisakvárium 1 mm-es falvastagságával. A csőcsonkok belső átmérője a kisebb akváriumokhoz hasonlóan 2 mm, és dupla falvastagságúak az oldallapokba való becsatlakozásnál (lásd 4. és 5. ábra). Az oldallapok a fedőlapot leszámítva ragasztással és csavarozással vannak egymáshoz rögzítve, hogy egy esetleges sérülés esetén csak az adott elemet kelljen cserélni. A fedőlap csak csavarozással (összesen huszonhat csavarral) van az oldalfalakhoz rögzítve, közte és az oldallapok között 3 mm vastagságú gumitömítés (lásd 5. ábra) biztosítja a tömörséget. Erre azért van szükség, mert az akvárium nagyobbik oldalait minden mérés előtt meg kell tisztítani a szennyeződésektől, hogy azok a kamera által rögzített képet ne befolyásolják. Ez pedig az akvárium méretéből és a csonkok átmérőjéből kifolyólag csak a fedőlap eltávolítása után valósítható meg. 4. ábra: A nagyakvárium felépítése (a feltüntetett méretadatok mm-ben értendők) Az akváriumon összesen öt ki- illetve belépő csonk helyezkedik el, a 4. ábrán látható módon: egy a fedőlap közepén, kettő-kettő pedig a két kisebb oldallapon. Ezeken kívül még két csonk található a fedőlapon (lásd szintén 4. ábra), melyek a 13

termoelemek behelyezésére és rögzítésére szolgálnak, és a könnyebb bevilágítás érdekében a középsíktól 25 mm-el eltolva helyezkednek el. 5. ábra: Csőcsonk erősített csatlakozással, tömítés a fedőlap alatt A mérés során nagyon fontos tényező, hogy az akváriumba belépő közeg tömegáramát állandó értéken tartsuk, ehhez nyújt segítséget a 6. ábrán látható, külön erre a célra tervezett gépészeti kiszolgáló környezet. Az állandó tömegáramhoz szükséges állandó nyomást a jobb oldali képen látható két nyomáskiegyenlítő tartály biztosította. A bal oldali képen látható két elektromos vízmelegítő tartály biztosította a méréshez szükséges meleg vizet, amit a képeken látható csapokból, szelepekből és csővezetékekből álló rendszer segítségével juttattunk el a nagyakváriumig. 14

6. ábra: Gépészeti kiszolgáló környezet 2.2. Mérési elrendezés A kísérletek során alkalmazott mérési elrendezést sematikus ábrája a 7. ábrán látható. A 8. ábra pedig a méréshez előkészített nagyakváriumot mutatja. 7. ábra: mérési elrendezés sematikus ábrája 15

8. ábra: Az akvárium a méréshez összeállítva 2.3. Mérés A következő fejezetrész az elvégzett mérések közül öt kiértékelését tartalmazza. Azért az alábbi méréseket választottam részletes kiértékelésre, mert ezeken jól megfigyelhető a különböző paramétereknek (hőmérséklet különbség a hideg és meleg közeg között, belépő tömegáram, lézer intenzitás, stb.) a mérés végeredményére gyakorolt hatása. A mérések számozása az elvégzésük időrendjére utal. A nagyakváriummal végzett eddigi mérések a 9. ábra szerint valósultak meg: az akvárium kezdeti állapotban meleg vízzel van feltöltve, és ebbe hideg vizet juttatunk be. A mérés során a felső csonk belépő, a két alsó csonk pedig kilépő csonkként szerepel. Az ábrán függőleges kék vonal jelzi a termoelem sor helyét, melyben összesen nyolc termoelem található egymástól egyenlő távolságra. A kamera által rögzített képek helyét zöld téglalap jelöli, mely egy 3 mm x 24 mm nagyságú területet fed le. 16

9. ábra: A kamera és a termoelem sor helyzete, kilépő és belépő csonkok a mérések során A kezdeti állapot eléréséhez az akváriumot fel kell tölteni meleg (4-45 C-os) vízzel, melyben el vannak keverve a nyomjelző poliamid részecskék. A bekeverési eljárás miatt ez azt jelenti, hogy kis mennyiségben szappant is tartalmazó vízzel kell feltölteni az akváriumot (erre azért van szükség, mert a méréshez használt poliamid részecskék csak szappan segítségével keverednek könnyen vízben). Mivel az alsó csonkokat vízelvezetésre szeretnénk használni, és feltöltés után már nincs mód a csőkötések variálására, ezt csak az oldallapokon található valamelyik felső csonkon keresztül tudjuk megtenni. Feltöltés közben a szabad felszínre zúduló víz csekély szappantartalma ellenére is habzani fog, a szappanhab pedig lerakódik az akvárium oldalára, és akadályozhatja a mérést: kitakarja a nyomjelző részecskéket. Több különböző összeállítás kipróbálása után azt tapasztaltuk, hogy a feltöltés során a 8. ábrán látható összeállítás felel meg a legjobban az elvárásoknak olyan tömegáram mellett, hogy a víz az oldalfalon folyik le, és emiatt kevésbé lesz habos a felszíne. Ilyen körülmények között egy feltöltés 45-5 percet vett igénybe. A fentieken kívül a 8. ábrán az is jól látható, hogy így a körülbelül háromnegyedig töltött tartály elülső oldallapja gyakorlatilag teljesen szappanlerakódásoktól mentes lett. A mérés elindításának pillanatában nem elhanyagolható zavaró tényező volt, hogy a beáramló víz rengeteg buborékot tartalmazott. Ezt hosszas kísérletezés után a középső csonkhoz csatlakozó gumicső lehető legrövidebbre vágásával sikerült 17

orvosolni. Ez a megoldás szintén a 8. ábrán látható, és az utolsó mérések előtt sikerült megvalósítani. A mérés megkezdése előtt egy vonalzó segítségével képeket készítünk a kamera megfelelő pozícionálása érdekében. A 1. ábrán egy ilyen kép látható, melyet még az első mérések során készítettünk, és jól kivehetőek rajta a szappanlerakódások. 1. ábra: kamera pozíciójának meghatározása (jól láthatók a szappanlerakódások) A mért tömegáram és kezdeti, valamint belépő hőmérséklet értékeket a 1. táblázat tartalmazza. 1. táblázat: Nagyakvárium mérések kezdeti és peremfeltételei Tömegáram (g/s) Tartály vízhőmérséklet ( C) Belépő vízhőmérséklet ( C) M1 mérés 123,1783 36 22 M2 mérés 11,6667 4 17 M3 mérés 22,237 35,45 18 M4 mérés 74,8539 35,7 18 Az első két mérés időpontjában a termoelem sor még nem volt beüzemelve, ezért ebben a két esetben a belépő hideg víz hőmérsékletének meghatározásán túl a tartályban lévő meleg víz hőmérsékletének meghatározásához is a csővezetékekre 18

szerelt hőmérőkre kellett hagyatkoznunk. Ezeket az értékeket a másik két mérés során is feljegyeztük, és azt tapasztaltuk, hogy 8-9 C-kal magasabb hőmérsékletet mutatnak a meleg víz esetében, mint a termoelem sor által mért átlaghőmérséklet a mérés elindításának pillanatában. Ez annak tudható be, hogy az akvárium feltöltéséhez sok idő szükséges, és eközben a víz hőmérséklete valamelyest csökken. Ezen okból kifolyólag feltételezzük, hogy az első két mérés során a tartályban lévő víz hőmérséklete jóval alacsonyabb volt a táblázatban szereplő értékeknél. A harmadik mérés során a tömegárammérő azonos körülmények (szelepállások, tartály kiürülési idő) között ismeretlen okból kifolyólag egy nagyságrenddel kisebb értékeket mutatott, ezért ezt a kiértékelés során nem vettük figyelembe. 2.3.1. M1 mérés Az első mérés során a kamerát olyan pozícióba állítottuk, hogy az előzőekben bemutatott ábrával ellentétben ne pontosan az akvárium közepét lássa, hanem a beáramló hideg víz csóvája a kamera képének jobb szélére kerüljön. Az aszimmetriát kihasználva jobban megfigyelhető a csóva melletti áramlás is. A detektált terület pontos pozícióját a 11. ábra mutatja. A mérés során a belépő tömegáram alakulása pedig a 12. ábrán követhető nyomon. 19

11. ábra: a kamera pozíciója az M1 mérés esetén Tömegáram M (g/s) 15 125 1 75 5 25 1 2 3 4 5 6 t (s) 12. ábra: belépő tömegáram az M1 mérés során Az M1 mérés során 1 Hz-es frekvenciával készítettünk felvételeket, és a képpárok között eltelt időt 5 µs-ra állítottuk. A készített felvételek alapján jól látszik, hogy a hőmérséklet-különbség kisebb volt a vártnál, ezért a hideg csóva ugyan 2

nagyjából egyenesen lefelé halad az akváriumban, de a későbbi mérésekhez képest nagyobb mértékben keveredik a meleg vízzel. Ezt mutatja a következő ábra. 13. ábra: Sebességmezők az M1 mérés különböző időpontjaiban A 14. ábra szerinti vonalak mentén értékeltük ki a mérési eredményeket a következő módon: a három vízszintes vonal mentén a sebesség függőleges komponensét, a két függőleges vonal mentén pedig a sebesség vízszintes 21

komponensét. Mivel a csóva a mérési tartomány jobb szélére esett, ezért csak a csóva középvonalában, és tőle balra tudtuk kiértékelni a vízszintes sebességeket. A kiértékelést két időpontban végeztük el, és a következő grafikonokon ábrázoltuk az eredményt. 14. ábra: Monitorvonalak az M1 mérésnél,5,4,3 Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 4s) U (x=484mm) U (x=627mm) U (m/s),2,1 4 9 14 19 24 -,1 -,2 y (mm) 15. ábra: Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban 22

,2,1 Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 4s) V (m/s) 4 9 14 19 24 -,1 -,2 -,3 y (mm) V (x=484mm) V (x=627mm) 16. ábra: Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban V (m/s) Sebesség abszolút értékének vízszintes vonalak menti változása (t=4s),3,25,2,15,1,5 V abszolútérték (y=96mm) V abszolútérték (y=153mm) V abszolútérték (y=211mm) 35 4 45 5 55 6 65 x (mm) 17. ábra: Sebesség abszolút értékének változása vízszintes vonalak mentén a t=4s időpillanatban 23

Sebesség abszolút értékének függőleges vonalak menti változása (t=4s),5,4 V abszolútérték (x=484mm) V abszolútérték (x=627mm) V (m/s),3,2,1 4 9 14 19 24 y (mm) 18. ábra: Sebesség abszolút értékének változása függőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban,3 Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 1s) U (m/s),2,1 4 -,1 9 14 19 24 -,2 U (x=484mm) U (x=627mm) -,3 y (mm) 19. ábra: Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=1s időpillanatban 24

V (m/s),2,1 -,2 -,3 -,4 -,5 -,6 Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 1s) 4 9 14 19 24 -,1 V (x=484mm) V (x=627mm) y (mm) 2. ábra: Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=1s időpillanatban 25

U (m/s),3,25,2,15,1,5 -,1 Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 1s) U (y=96mm) U (y=153mm) U (y=211mm) -,535 4 45 5 55 6 65 x (mm) 21. ábra: Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=1s időpillanatban,1 Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 1s) V (m/s) 35 4 45 5 55 6 65 -,1 -,2 V (y=96mm) -,3 V (y=153mm) V (y=211mm) -,4 x (mm) 22. ábra: Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=1s időpillanatban 26

V (m/s),4,3,2,1 Sebesség abszolút értékének vízszintes vonalak menti változása (t=1s) V abszolútérték (y=96mm) V abszolútérték (y=153mm) V abszolútérték (y=211mm) 35 4 45 5 55 6 65 x (mm) 23. ábra: Sebesség abszolút értékének változása vízszintes vonalak mentén a t=1s időpillanatban V (m/s),6,5,4,3,2,1 Sebesség abszolútérték függőleges vonalak menti változása (t=1s) V abszolútérték (x=484mm) V abszolútérték (x=627mm) 4 9 14 19 24 y (mm) 24. ábra: Sebesség abszolút értékének változása függőleges vonalak mentén a t=1s időpillanatban 2.3.2. M2 mérés A második mérés annyiban tért el az elsőtől, hogy ebben az esetben 2 Hz-es mintavételezési frekvenciát állítottunk be, valamint nagyobb (a rendelkezésre álló adatok szerint az eddigi mérések között a legnagyobb) volt a hőmérsékletkülönbség. Az alábbi ábrákon jól látható, hogy a hideg csóva még valamivel kisebb átlagos tömegáram mellett is jóval kevésbé keveredik a meleg vízzel. A mérés alatt a belépő 27

tömegáram változását a 25. ábra mutatja. A detektált terület pozícióját a 9. ábra mutatja. 14 Tömegáram 12 1 M (g/s) 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 t (s) 25. ábra: Tömegáram időbeli változása, M2 mérés 28

26. ábra: Sebességmezők az M2 mérés különböző időpontjaiban A második méréstől kezdve a mérési eredmények kiértékelését már a 27. ábrán látható három függőleges és három vízszintes vonal mentén végeztük. Mivel ezekben a mérésekben a csóva a mérési tartomány közepén helyezkedik el, a vízszintes sebességkomponenseket a csóva mindkét oldalán ki tudtuk értékelni. 29

27. ábra: Monitorvonalak az M2 méréstől U (m/s),2,15,1,5 -,1 -,15 -,2 Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 4s) -,5 4 9 14 19 24 y (mm) U (x=423mm) U (x=5mm) U (x=577mm) 28. ábra: Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban 3

Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 4s) V (m/s),5 4 -,5 9 14 19 24-1 V (x=423mm) -1,5 V (x=5mm) V (x=577mm) -2 y (mm) 29. ábra: Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban U (m/s) Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 4s),2,15,1,5 -,535 4 45 5 55 6 65 -,1 U (y=96mm) -,15 U (y=153mm) -,2 U (y=211mm) -,25 x (mm) 3. ábra: Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=4s időpillanatban 31

V (m/s),2 -,4 -,6 -,8-1 -1,2-1,4 Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 4s) -,235 4 45 5 55 6 65 V (y=96mm) V (y=153mm) V (y=211mm) x (mm) 31. ábra: Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=4s időpillanatban 32

V (m/s) 1,4 1,2 1,8,6,4,2 Sebesség abszolút értékének változása vízszintes vonalak mentén (t=4s) V abszolút (y=96mm) V abszolút (y=153mm) V abszolút (y=211mm) 35 4 45 5 55 6 65 x (mm) 32. ábra: Sebesség abszolút értékének változása vízszintes vonalak mentén a t=4s időpillanatban Sebesség abszolút értékének változása függőleges vonalak mentén (t=4s) V (m/s) 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 V abszolút (x=423mm) V abszolút (x=5mm) V abszolút (x=577mm) 4 9 14 19 24 y (mm) 33. ábra: Sebesség abszolút értékének változása függőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban 33

U (m/s),15,1,5 -,1 Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 1s) U (x=423mm) U (x=5mm) U (x=577mm) 4 -,5 9 14 19 24 -,15 y (mm) 34. ábra: Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=1s időpillanatban V (m/s),2 -,4 -,6 -,8-1 Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 1s) 4 9 14 19 24 -,2 V (x=423mm) V (x=5mm) V (x=577mm) y (mm) 35. ábra: Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=1s időpillanatban 34

U (m/s),15,1,5 -,1 -,15 -,2 Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 1s) -,535 4 45 5 55 6 65 U (y=96mm) U (y=153mm) U (y=211mm) x (mm) 36. ábra: Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=1s időpillanatban V (m/s),2 -,4 -,6 -,8-1 -1,2-1,4 Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 1s) -,235 4 45 5 55 6 65 V (y=96mm) V (y=153mm) V (y=211mm) x (mm) 37. ábra: Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=1s időpillanatban 35

V (m/s) 1,4 1,2 1,8,6,4,2 Sebesség abszolút értékének vízszintes vonalak menti változása (t=1s) V abszolútérték (y=96mm) V abszolútérték (y=153mm) V abszolútérték (y=211mm) 35 4 45 5 55 6 65 x (mm) 38. ábra: Sebesség abszolút értékének változása vízszintes vonalak mentén a t=1s időpillanatban Sebesség abszolút értékének változása függőleges vonalak mentén (t=1s) V (m/s) 1,8,6,4 V abszolút (x=423mm) V abszolút (x=5mm) V abszolút (x=577mm),2 4 9 14 19 24 y (mm) 39. ábra: Sebesség abszolút értékének változása függőleges vonalak mentén a t=1s időpillanatban A fenti ábrák (elsősorban is a 31., 32., 37. és 38. ábra) alapján ki kell emelnünk, hogy a csóvában 1 m/s sebességet meghaladó függőleges leáramlás is megfigyelhető, ami meglehetősen nagy sebesség érték. 2.3.3. M3 mérés 36

A harmadik mérés során ismét 1 Hz-es képrögzítési frekvenciát alkalmaztunk, miközben a képpárok között eltelt időt 35 µs-ra állítottuk. Az 1. táblázat tanulsága szerint ismét kisebb volt a hőmérsékletkülönbség a hideg és a meleg közeg hőmérséklete között. A készített felvételek szerint a csóva ismét erőteljesebben keveredett a meleg vízzel. Amíg az M1 és M2 mérésekben a belépő hidegvíz átlagos tömegárama kb. 12 g/s volt, addig itt a tömegáram a mérőműszer tanúsága szerint csak 23 g/s körüli átlagértéket vesz fel (ld. 41. ábra). A detektált terület pozícióját a 9. ábra mutatja. 37

4. ábra: Sebességmezők az M3 mérés különböző időpontjaiban 38

Tömegáram 3 25 2 M (g/s) 15 1 5 1 2 3 4 5 6 t (s) 41. ábra: Belépő tömegáram időbeli változása, M3 mérés,6 Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 4s) U (m/s),4,2 4 -,2 9 14 19 24 -,4 U (x=423mm) U (x=5mm) -,6 U (x=577mm) y (mm) 42. ábra: Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban 39

V (m/s),6,4,2 -,4 Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 4s) V (x=423mm) V (x=5mm) V (x=577mm) 4 -,2 9 14 19 24 -,6 y (mm) 43. ábra: Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban U (m/s),8,6,4,2 Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 4s) U (y=96mm) U (y=153mm) U (y=211mm) 35 -,2 4 45 5 55 6 65 -,4 x (mm) 44. ábra: Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=4s időpillanatban 4

Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 4s) V (m/s),4,2 35 -,2 4 45 5 55 6 65 -,4 -,6 -,8 V (y=96mm) V (y=153mm) V (y=211mm) x (mm) 45. ábra: Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=4s időpillanatban Sebesség abszolút értékének változása vízszintes vonalak mentén (t=4s) V (m/s),7,6,5,4,3,2,1 V abszolút (y=96mm) V abszolút (y=153mm) V abszolút (y=211mm) 35 4 45 5 55 6 65 x (mm) 46. ábra: Sebesség abszolút értékének változása vízszintes vonalak mentén a t=4s időpillanatban 41

V (m/s),7,6,5,4,3,2,1 Sebesség abszolút értékének változása függőleges vonalak mentén (t=4s) V abszolút (x=423mm) V abszolút (x=5mm) V abszolút (x=577mm) 4 9 14 19 24 y (mm) 47. ábra: Sebesség abszolút értékének változása függőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban Ennél a mérésnél a csóva mindkét oldalán ki tudtuk értékelni a sebességeket, és a kiértékelt eredmények, valamit a sebességmezők alapján jól látszik, hogy a mérési tartomány alsó részén a csóva jobbra elkanyarodik. Ez valószínűleg annak tudható be, hogy az akváriumból való kilépés valamilyen okból nem volt szimmetrikus. Ezen kívül ennél a mérésnél már beüzemeltük a termoelem sort, ezért pontosabb képet kaphattunk az akvárium belsejében végbemenő hőmérsékletváltozásokról. A 48. ábrán láthatjuk a nyolc termoelem hőmérsékletének időbeli változását. A következő ábra megértéséhez fontos a termoelemek számozásának ismerete, mely a következő logikát követi: az 1-es számú termoelem helyezkedik el legalul, a 8-as számú pedig legfölül, a köztük lévőek pedig magasság szerint növekvő sorrendben vannak számozva. A 48. ábrán jól kivehető, hogy a mérés alatt a felső három termoelem hőmérséklete nem változott számottevően. Ezen kívül az is jól látható, hogy először a legalsó termoelem hőmérséklete kezdett csökkenni, majd fokozatosan a felette lévőké. Ebből azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a mérés időtartama alatt a hideg víz csak az alsóbb rétegekben kezd el keveredni a melegebbel. 42

36,5 A tartály hőmérsékletének változása Hőmérséklet ( C) 36 35,5 35 34,5 34 term1 term2 term3 term4 term5 term6 term7 term8 33,5 33 1 2 3 4 5 Idő (s) 48. ábra: A tartály hőmérsékletének változása az M3 mérés során 2.3.4. M4 mérés A negyedik mérésnél szintén 1 Hz-es frekvenciát alkalmaztunk 35 µs-os késleltetési időt állítottunk be a képpárok között. A hőmérséklet-különbség lényegében megegyezett az előző mérésben használttal, viszont a tömegáram átlagos értéke (ld. 49. ábra) kétharmada volt az első két mérésben alkalmazottnak, viszont jóval magasabb volt, mint az M3 kísérletben. A 5. ábrán látható felvételek szerint a hideg csóva kevéssé keveredett a meleg vízzel. Az utána látható grafikonokon jól kivehető a mérési tartomány közepén lefelé szálló csóva. A detektált terület pozícióját a 9. ábra mutatja. 43

M (g/s) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Tömegáram 1 2 3 4 5 6 t (s) 49. ábra: Belépő tömegáram időbeli változása, M4 mérés 44

5. ábra: Sebességmezők a M4 mérés különböző időpontjaiban 45

,15 Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 4s),1,5 U (m/s) 4 9 14 19 24 -,5 -,1 -,15 -,2 y (mm) U (x=423mm) U (x=5mm) U (x=577mm) 51. ábra: Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban,2,15,1 Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 4s) V (m/s),5 -,5 4 9 14 19 24 -,1 V (x=423mm) -,15 V (x=5mm) V (x=577mm) y (mm) 52. ábra: Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban 46

U (m/s),4,3,2,1 Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 4s) U (y=96mm) U (y=153mm) U (y=211mm) 35 4 45 5 55 6 65 -,1 -,2 x (mm) 53. ábra: Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=4s időpillanatban 47

,4 Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 4s),2 V (m/s) 35 4 45 5 55 6 65 -,2 -,4 -,6 V (y=96mm) V (y=153mm) V (y=211mm) x (mm) 54. ábra: Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=4s időpillanatban Sebesség abszolút értékének változása vízszintes vonalak mentén (t=4s) V (m/s),6,5,4,3,2 V abszolút (y=96mm) V abszolút (y=153mm) V abszolút (y=211mm),1 35 4 45 5 55 6 65 x (mm) 55. ábra: Sebesség abszolút értékének változása vízszintes vonalak mentén a t=4s időpillanatban 48

,25,2 Sebesség abszolút értékének változása függőleges vonalak mentén (t=4s) V abszolút (x=423mm) V abszolút (x=5mm) V abszolút (x=577mm) V (m/s),15,1,5 4 9 14 19 24 y (mm) 56. ábra: Sebesség abszolút értékének változása föggőleges vonalak mentén a t=4s időpillanatban U (m/s) Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 1s),25,2,15,1,5 -,5 4 9 14 19 24 -,1 -,15 -,2 y (mm) U (x=423mm) U (x=5mm) U (x=577mm) 57. ábra: Vízszintes sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=1s időpillanatban 49

Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak menti változása (t = 1s),1 V (m/s) -,1 4 9 14 19 24 -,3 -,5 -,7 V (x=423mm) V (x=5mm) V (x=577mm) y (mm) 58. ábra: Függőleges sebességkomponensek függőleges vonalak mentén a t=1s időpillanatban,3 Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 1s) U (m/s),2,1 35 -,1 4 45 5 55 6 65 -,2 -,3 U (y=96mm) U (y=153mm) U (y=211mm) x (mm) 59. ábra: Vízszintes sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=1s időpillanatban 5

V (m/s),3,2,1 -,2 -,3 -,4 -,5 -,6 -,7 Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak menti változása (t = 1s) -,135 4 45 5 55 6 65 V (y=96mm) V (y=153mm) V (y=211mm) x (mm) 6. ábra: Függőleges sebességkomponensek vízszintes vonalak mentén a t=1s időpillanatban V (m/s),7,6,5,4,3,2,1 Sebesség abszolút értékének változása vízszintes vonalak mentén (t=1s) V abszolút (y=96mm) V abszolút (y=153mm) V abszolút (y=211mm) 35 4 45 5 55 6 65 x (mm) 61. ábra: Sebesség abszolút értékének változása vízszintes vonalak mentén a t=1s időpillanatban 51

V (m/s),7,6,5,4,3,2,1 Sebesség abszolút értéke függőleges vonalak mentén (t=1s) V abszolút (x=423mm) V abszolút (x=5mm) V abszolút (x=577mm) 4 9 14 19 24 y (mm) 62. ábra: Sebesség abszolút értékének változása függőleges vonalak mentén a t=1s időpillanatban Ennél a mérésnél is alkalmaztuk a termoelem sort, a mért hőmérséklet értékek a 63. ábrán láthatók. A hőmérsékletek időbeli változása hasonló az előző méréshez, annyi eltéréssel, hogy itt a felsőbb termoelemek valamivel előbb kezdtek el alacsonyabb hőmérsékletű vizet látni. 52

36,5 Az akvárium hőmérsékletének változása 36 Hőmérséklet ( C) 35,5 35 34,5 34 term1 term2 term3 term4 term5 term6 term7 term8 33,5 33 1 2 3 4 5 Idő (s) 63. ábra: A tartály hőmérsékletének változása az M4 mérés során 2.4. Kiértékelés A fenti mérések ugyanarra a mérési konfigurációra vonatkoztak, különböző paraméterekkel, és mérési összeállítással. A mérés kivitelezésén az egymást követő mérések során mindig próbáltunk javítani, és az utolsó mérésre a legtöbb zavaró tényezőt sikerült kiküszöbölni (lerakódások az akvárium falán, buborékok bekeveredése a hideg csóvába). Az eddigi tapasztalatok alapján azt mondhatjuk, hogy a jövőben elvégzendő méréseknél a következő paraméterekre érdemes figyelni: A hideg és meleg víz közötti hőmérséklet-különbség a lehetőségek szerint minél nagyobb legyen, lehetőleg legalább 2 C. Az akvárium feltöltésénél kerüljük az olyan módszereket, melyek a víz habosodásával járnak. Ügyeljünk arra, hogy a belépő csóvába ne keveredjenek légbuborékok. 53

A mérés lényegi része az első 6 másodperc alatt történik (kb. ennyi idő kell a nyomáskiegyenlítő tartály leürüléséhez), a mintavételi frekvenciát érdemesebb a nagyakvárium esetén is a lehető legnagyobbra állítani. 3. CFD számítások 3.1. Modell és háló A későbbi CFD számításokhoz először létre kellett hoznom a nagyakvárium háromdimenziós geometriai modelljét. Ehhez az ANSYS által fejlesztett ICEM CFD nevű geometriai segédprogramot használtam. A geometriai modell (lásd 64. ábra) méretben teljesen megegyezik az akváriummal, tartalmazza annak teljes térfogatát a csőcsonkokkal együtt. Mivel a termoelem sor elég messze helyezkedik el a felső belépő csonktól, és a mérési eredmények tanúsága szerint nem befolyásolja jelentősen a számunkra érdekes folyamatokat (a harmadik méréstől a termoelem sor bent volt az akváriumban a mérések alatt, a legtöbb mérésben ettől függetlenül szimmetrikus az áramlási kép), ezért, és az egyszerűbb geometria nyújtotta gyorsabb számítások miatt kihagytam a geometriai modellből. A modell hálózásához szintén az ICEM CFD szoftvert használtam és vegyes tetraéderes hálót készítettem. A geometriát először a Rückert Péter által is alkalmazott módszert [2] követve blokkokra osztottam. A geometria felosztása a 64-66. ábrákon látható. Ezután a csőcsonkokra 5 rétegű határréteg háló definiáltam,2- es kezdeti magassággal és 1,2-es növekedési faktorral. Az így elkészült háló 3 millió térfogatelemet, illetve,5 millió nódust tartalmaz. A 68. ábrán látható a csőcsonkokban létrejött határréteg háló. 54

64. ábra: A nagyakvárium CFD modellje 65. ábra: A nagyakvárium geometriai modelljének blokkjai 55

66. ábra: A blokkok oldal- és felülnézetből 56

67. ábra: A blokkok zerkezete a csőcsonkok közelében 68. ábra: A csonkok hálózása határréteg hálóval 57

3.2. Peremfeltételek és futtatás A számításokat elvégzésénél arra törekedtem, hogy a mért és számított értékek könnyen összehasonlíthatóak legyenek, ezért a számítások kezdeti értékeit és peremfeltételeit egy már meglévő méréshez igazítottam. Ez a mérés nem szerepelt az előző fejezetben, mivel azt a számításokkal együtt szeretném ismertetni. Az M5-ös mérésnél megpróbáltam felhasználni a korábbi mérések során szerzett tapasztalatokat. A mérés tömegáramát az M2 mérés alapján 11 g/s értékre próbáltam beállítani. Ez látható a 69. ábrán. 12, M5 mérés - Tömegáram 1, 8, 6, 4, Tömegáram 2,, 5 1 15 2 69. ábra: Tömegáram az M5 mérés során Ez alapján a CFX-Pre-ben a felső csonkra INLET peremfeltételt állítottam be 11 g/s állandó belépő tömegárammal. A két alsó csonkra pedig OUTLET peremfeltételt állítottam 1 bar állandó nyomással. A futtatások során két különböző modellt használtam. Az első futtatásokhoz a K-epszilon kétegyenletes modellt választottam. Ez valamivel pontatlanabb a másik használt modellnél, viszont gyorsan konvergál és ezért sokkal gyorsabban szolgáltat eredményt, ezáltal rövidebb idő alatt juthattam el az optimális szimulációs beállításokhoz. A másik alkalmazott modell a hétegyenletes SSG Reynolds turbulencia modell, ami elvileg pontosabb megoldást ad, viszont egy futtatás azonos peremfeltételek mellett a másik modellhez viszonyítva több mind kétszer annyi időt 58

vett igénybe. A bemutatandó számítást végül mindkét modellel elvégeztem az alább látható beállításokkal: Szimuláció beállításai Szimuláció típusa Tranziens Szimuláció időtartama 3s Szimuláció időlépése,2s Szimuláció kezdeti időpontja s Iterációs lépések száma időlépésenként 5 Áramlás körülményeinek a beállításai Áramló folyadék Víz Referencianyomás 1 bar Referencia hőmérséklet 2 C Hőátadási séma Thermal Energy Áramlás típusa Turbulens Felhajtóerő z irányban figyelembe véve Gravitáció -9,81 m/s 2 Peremfeltételek Bemenet IN3 (felső csonk) Bemenő tömegáram 11 g/s Belépő közeg hőmérséklete 18 C Kimenetek IN1, IN5 (két alsó csonk) Minden más geometria Adiabatikus fal Kezdeti feltételek Kezdeti sebesség a tartályban m/s Kezdeti hőmérséklet 4 C Az akváriumban elhelyezett termoelemek pozícióiban monitorpontokat hoztam létre, és a lementettem a hőmérséklet adatokat. 3.3. Összehasonlítás Mivel a számításokat az M5 méréshez igazítottam, ezért a mérés peremfeltételei és kezdeti értékei megegyeznek a számításokra vonatkozó adatokkal. A függőleges sebességértékeket három vízszintes vonal mentén értékeltem ki melyek egybeestek a mérés és a számítás során. Pozíciójukat a 7. ábra mutatja a modellen belül. Az alábbi grafikonokon láthatóak egymás mellett a mérési és számítási eredmények összehasonlítva. Bal oldalon találhatóak a mérési adatok, míg a jobb oldalon a számítások eredményei láthatóak egy grafikonon belül. 59

7. ábra: monitorvonalak a modellben,5 -,5 -,1,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8 -,1 -,12 H1 t=4s,35,38,4,43,45,48,5,53,56,58,61,63 H1 t=7s,35,38,4,43,45,48,5,53,56,58,61,63 V V,E+ -5,E-4-1,E-3-1,5E-3-2,E-3-2,5E-3-3,E-3,E+ -5,E-4-1,E-3-1,5E-3-2,E-3-2,5E-3-3,E-3 Y [ m ],,,11 H1 t=4s,11,22,33 H1 t=7s,22,33,44,44,56,56,67,67,78,78 SS G,89,89 1, S S 6

,6 H1 t=1s V 5,E-4 H1 t=1s,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8 -,1,35,38,4,43,45,48,5,53,56,58,61,63,E+ -5,E-4-1,E-3-1,5E-3-2,E-3-2,5E-3-3,E-3,,11,22,33,44,56,67,78,89 1, SSG KE H1 t=14s V H1 t=14s,6 5,E-4,4,2 -,2,35,38,41,45,48,51,54,57,61,64 -,4 -,6 -,8 -,1 -,12,E+ -5,E-4-1,E-3-1,5E-3-2,E-3-2,5E-3-3,E-3-3,5E-3,,11,22,33,44,56,67,78,89 1, SSG KE,4 H1 t=18s V 2,E-3 H1 t=18s,2 -,2 -,4 -,6 -,8,35,38,4,43,45,48,5,53,56,58,61,63 1,E-3,E+ -1,E-3-2,E-3-3,E-3,,11,22,33,44,56,67 -,1-4,E-3 71. ábra: Függőleges sebességkomponens időbeli változása H1 mentén,78,89 1, SSG KE 61

62 -,6 -,4 -,2,2,4,6,8,35,38,4,43,45,48,5,53,56,58,61,63 H2 t=4s V -3,5E-3-3,E-3-2,5E-3-2,E-3-1,5E-3-1,E-3-5,E-4,E+ 5,E-4,,11,22,33,44,56,67,78,89 1, H2 t=4s SSG KE -,12 -,1 -,8 -,6 -,4 -,2,2,4,6,35,38,4,43,45,48,5,53,56,58,61,63 H2 t=7s V -3,5E-3-3,E-3-2,5E-3-2,E-3-1,5E-3-1,E-3-5,E-4,E+ 5,E-4 1,E-3 H2 t=7s SSG KE -,15 -,1 -,5,5,1,35,38,4,43,45,48,5,53,56,58,61,63 H2 t=1s V -3,E-3-2,5E-3-2,E-3-1,5E-3-1,E-3-5,E-4,E+ 5,E-4 H2 t=1s SSG KE

,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8 H2 t=14s,35,38,4,43,45,48,5,53,56,58,61,63 V 1,E-3 5,E-4,E+ -5,E-4-1,E-3-1,5E-3-2,E-3-2,5E-3-3,E-3-3,5E-3 H2 t=14s,,11,22,33,44,56,67,78,891, SSG KE,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8 V H2 t=18s H2 t=18s,35,38,4,43,45,48,5,53,56,58,61,63 2,E-3 1,E-3,E+ -1,E-3-2,E-3-3,E-3-4,E-3,,11,22,33,44,56,67,78,89 1, -,1-5,E-3 72. ábra: Függőleges sebességkomponens időbeli változása H2 mentén SSG KE,8 H3 t=4s V 1,E-3 H3 t=4s,6,e+,4-1,e-3,,11,22,33,44,56,67,78,89 1,,2-2,E-3 -,2 -,4,35,38,4,43,45,48,5,53,56,58,61,63-3,E-3-4,E-3-5,E-3 SSG KE 63

64 -,6 -,4 -,2,2,4,6,8,35,38,4,43,45,48,5,53,56,58,61,63 H3 t=7s V -4,5E-3-4,E-3-3,5E-3-3,E-3-2,5E-3-2,E-3-1,5E-3-1,E-3-5,E-4,E+,,11,22,33,44,56,67,78,89 1, H3 t=7s SSG KE -,15 -,1 -,5,5,1,35,38,41,45,48,51,54,57,61,64 H3 t=1s V -5,E-3-4,E-3-3,E-3-2,E-3-1,E-3,E+,,11,22,33,44,56,67,78,89 1, H3 t=1s SSG KE -,8 -,6 -,4 -,2,2,4,6,35,38,41,45,48,51,54,57,61,64 H3 t=14s -5,E-3-4,E-3-3,E-3-2,E-3-1,E-3,E+ 1,E-3 H3 t=14s SSG KE

H3 t=18s H3 t=18s,6 2,E-3,4 1,E-3,2,E+ -1,E-3-2,E-3,35,38,41,45,48,51,54,57,61,64 -,2-3,E-3 -,4-4,E-3-5,E-3 -,6-6,E-3 -,8-7,E-3 73. ábra: Függőleges sebességkomponens időbeli változása H3 mentén SSG KE A fenti grafikonokon jól látszik, hogy a két különböző modell által szolgáltatott eredmények között nincs lényegi eltérés. Mindkét esetben jól kivehető a leszálló csóva. A következő három grafikonon a hőmérséklet időbeni változása a három esetben. Jól megfigyelhető, hog a mérés grafikonján a termoelemek kezdeti hőmérséklete eltérő. Ez abból adódhat, hogy a plexi tartály fala nem tökéletes hőszigetelő, és a tartályban lévő vizet feltöltés után állni hagytuk, hogy megvalósuljon a nyugvó közegnek megfelelő peremfeltétel. Ez a néhány perc elegendő idő ahhoz, hogy a tartályban lévő meleg víz veszítsen hőmérsékletéből és enyhe hőmérsékleti rétegződés alakuljon ki. Ettől eltekintve mind a jelenlegi mérésnél, mind az előzőeknél jól kivehető beáramló hideg közeg hatására végbemenő hőmérséklet-változás. A számításoknál nyilván a tartályban lévő víz egyenletes hőmérséklet eloszlású, ezért az összes termoelem kezdeti hőmérséklete egyenlő. A hideg csóva hatására bekövetkező hőmérséklet-változás viszont ugyanúgy megjelenik az alsó két termoelemen mindkét számítás esetén. 65

41,5 41, 4,5 4, 39,5 39, 38,5 38, 37,5 37, 36,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11112131415161718192 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 74. ábra: Hőmérséklet időbeni változása az M5 mérés során 4,2 4, 39,8 39,6 39,4 39,2 39, 38,8 4 7 1 14 18 T8 T7 T6 T5 T4 T3 T2 T1 75. ábra: Hőmérséklet időbeni változása a K-epszilon modell esetén 66

4,5 4, 39,5 39, 38,5 38, T8 T7 T6 T5 T4 T3 T2 T1 37,5 4 7 1 14 18 76. ábra: Hőmérséklet időbeni változása az SSG modell esetén A kapott eredmények alapján elmondható, hogy a tranziens megjelenését és időbeni lefolyását tekintve a számítások jó egyezést mutatnak a mérések során tapasztaltakkal. 4. Konklúzió Szakdolgozatom elkészítése során először megismerkedtem a Nukleáris Technikai Intézetben felállított PIV mérőrendszerrel majd ennek segítségével több mérésből álló kísérletsorozatot hajtottam végre a nagyakvárium nevezetű kísérleti modellen. A mérések alatt egy meghatározott konfigurációt vizsgáltam, melynél stagnáló magasabb hőmérsékletű közegbe felülről juttatunk be alacsonyabb hőmérsékletű közeget és a kilépés a tartály alsó csonkjain biztosított. A mérés összetettsége miatt sok apró részleten múlt egy mérés sikeressége, megpróbáltam rámutatni néhány fontosabb részletre. A szakdolgozat keretein belül megismerkedtem a CFX kóddal, elkészítettem a nagyakvárium modelljét és hálózását valamint a PIV mérések mintájára számításokat futtattam az NTI-ben található Alfonz cluster segítségével, majd a mérési eredményeket összehasonlítottam a számításokkal. A CFX kód bonyolultsága miatt úgy gondolom, hogy ennyi mérés után nem jelenthető ki teljes biztonsággal, hogy a kód minden körülmények között használható a hőmérsékleti rétegződés modellezésére. 67

Az akvárium és a modell felhasználásával további kísérletek végezhetők a kód validációjára a különböző mérési összeállításokban. 5. Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretnék köszönetet mondani mindazoknak, akik közvetlenül vagy közvetve segítettek e szakdolgozat létrejöttében: mindenekelőtt Dr. Aszódi Attila témavezetőmnek; Yamaji Bogdán konzulensemnek hasznos tanácsaiért és segítőkészségéért; Zachár Andrásnak, aki az akváriumot kiszolgáló gépészeti környezetet tervezte; Szabó Bálintnak, aki a termoelemes mérőberendezést és a hozzá tartozó kiértékelő szoftvert készítette; Boros Ildikónak és Rückert Péternek, akik segítettek a PIV technika megismerésében, és akikkel az első próbaméréseket végeztem; Szijártó Ritának, akivel a legtöbb mérést végeztem 6. Irodalomjegyzék [1] Boros Ildikó, Fülöp István, Szabó Bálint, Zachár András, Dr. Aszódi Attila: Hőmérsékleti rétegződés vizsgálatára vonatkozó számítási eredmények kísérleti validálása, kutatási jelentés, BME-NTI- 416/27, Budapest, 27. [2] Rückert Péter: A CFX kód validációja hőmérsékleti rétegződések termoelemes mérései alapján, Diplomamunka, 28, Budapest, BME NTI, Konzulens: Dr. Aszódi Attila, Boros Ildikó, Yamaji Bogdán [3] Szijártó Rita: Hőmérsékleti rétegződés vizsgálata PIV/LIF technikával, BSC Szakdolgozat, 29, Budapest, BME NTI, Konzulens: Dr. Aszódi Attila [4] M. Raffel, C. Willert, S. Wereley, J. Kompenhans: Particle Image Velocimetry A Practical Guide, Springer - Verlag Berlin Heidelberg, 1998 27, ISBN 978-3-54-7237-3 [5] http://www.dantecdynamics.com/default.aspx?id=149, 212. május 29. 1:23 CET 68