Korkeapainevesisumusuuttimen virtaustekninen laadunhallinta

Abstract

Tämä työ vastaa tarpeeseen hallita korkeapainevesisumusuuttimen laatua virtausmekaniikan työkalujen avulla. Työssä tutkitaan suutinten testidatan lisäksi virtauksen käyttäytymistä suuttimen sisällä CFD-laskennan avulla. Virtausmallinnus tehdään Navier-Stokes –pohjaisella laskentamenetelmällä. Työn teoriaosassa käsitellään virtaustekniikkaa ja sen kehitystä yleisesti. Lisäksi esitetään suuttimen laskennassa käytettävää perusteoriaa sekä teknisiä ratkaisuja. Teoriaosassa käydään myös läpi laskennalliseen virtausmekaniikkaan (CFD-laskenta) liittyvää perusteoriaa. Tutkimusosiossa esitetään käsitellyt suutintestitulokset sekä mallinnetaan suutinvirtausta ajasta riippumattomaan virtauslaskentaan perustuvalla laskentamenetelmällä. Virtauslaskennassa käytetään OpenFOAM-laskentaohjelmiston SIMPLE-virtausratkaisijaa sekä k-omega SST –turbulenssimallia. Tehtiin virtausmallinnus kaikilla paineilla, joita suuttimen testauksessa myös todellisuudessa käytetään. Lisäksi selvitettiin mahdolliset kavitaatiokohdat suuttimessa ja suunniteltiin kavitaatiota ehkäisevä suutingeometria. Todettiin myös lämpötilan ja epäpuhtauksien vaikuttavan kavitaatioon sekä mallinnettiin lämpötilan vaikutusta. Luotiin malli, jolla suuttimen suunnitteluun liittyviin haasteisiin voidaan vastata numeerisella laskennalla.

This thesis has been written to manage the quality of high-pressure water mist nozzle using applied fluid dynamics. Nozzle test data has been examined and fluid flow inside the nozzle has been modeled using computational fluid dynamics. Modelling of fluid flow has been done using a Navier-Stokes-based calculation method. In the theoretical section of this thesis, fundamentals of fluid mechanics and its development are discussed. Also basic theory regarding nozzle calculation and some technical solutions are presented. Some basic principles of computational fluid dynamics (CFD) are also presented in the theoretical section. In the practical part of this thesis, processed nozzle test data is concidered and nozzle flow is modelled using a calculation method based on steady-state flow calculus. Open-FOAM software package and SIMPLE-algorithm are used in calculations. K-omega SST is used as the turbulence model. As results of this thesis, the nozzle fluid flow was modelled using all the pressures used in nozzle factory testing. Potential cavitation fields were located and a nozzle geometry preventing cavitation was designed. Also the fluid temperature and impurities were pointed out to affect nozzle cavitation and effects due to temperature difference were modelled. As an outcome of this study a model to face the challenges presented by the nozzle design was created.