Experimental and CFD investigations of single phase and two phase steam water flow in helically coiled tubes

Three important issues concerning the flow in helically coiled tubes are investigated in this work. Firstly, an approach based on the analysis of experimental friction factor profiles of liquid water single phase-flow in thirteen different geometries is undertaken, in order to examine the laminar to turbulent flow transition. The strong influence of the curvature ratio Dcoil / dtube on the shape of friction factor profiles is evidenced and then correlations are provided for the beginning and the end of transition zone. Secondly, experimental data of steam-water two-phase pressure drop are analyzed, with the purpose to understand the effects of power input on the frictional component of pressure drop. The results reveal the influence of mass flux on this phenomenon, but do not allow carrying out any quantitative conclusion. Lastly, a CFD investigation of steam-water two-phase flow under adiabatic conditions is performed using commercial software ANSYS FLUENT 14.0, with the intention of defining a code able to predict experimental pressure drop data. A good accordance between numerical and experimental pressure drop values has been found, thus letting visualize and discuss also void fraction profiles. Thanks to these results, it has been possible to conduce also an analysis of wall shear stress, providing a physical explanation for the presence of a maximum in the “frictional pressure drop vs. quality” curve.

L’obiettivo di questo lavoro è di affrontare tre importanti questioni concernenti il tubo elicoidale, che risultano poco approfondite nella letteratura scientifica specialistica. Nella prima sezione è stata studiata sperimentalmente l’influenza dei parametri geometrici caratterizzanti un tubo elicoidale (diametro interno del tubo, diametro dell’elica) sulla transizione da regime laminare a turbolento di un flusso monofase di acqua allo stato liquido. L’approccio seguito è basato sull’analisi dei profili sperimentali del friction factor, ottenuti testando tredici eliche con rapporto Dcoil / dtube variabile. Come già noto da lavori di letteratura, è stata riscontrata la forte differenza fra i profili di friction factor fra il tubo rettilineo e il tubo elicoidale. Successivamente, è stato utilizzato un metodo di analisi basato sull’errore relativo fra i dati sperimentali delle perdite di carico e le correlazioni di Ito per il calcolo del friction factor in moto laminare e turbolento. Questo studio ha consentito di ricavare alcune correlazioni per l’inizio e per la fine della zona di transizione. La seconda sezione del lavoro riguarda il moto bifase acqua-vapore. È stato condotto un confronto fra i dati di cadute di pressione ottenuti sia in condizioni adiabatiche sia fornendo potenza al fluido. Innanzitutto, è stato analizzato il profilo sperimentale della componente di friction delle perdite di carico al variare del titolo termodinamico, evidenziando che esso non ha un comportamento monotono crescente, bensì presenta un massimo in corrispondenza delle fasi finali dell’ebollizione. In seguito, sono stati utilizzati due approcci complementari fra loro, al fine di confrontare graficamente i profili nelle due diverse condizioni, a parità di geometria, pressione operativa e flusso di massa, e successivamente di quantificare l’entità delle differenze. Sebbene gli errori sperimentali siano piuttosto contenuti, i risultati ottenuti mostrano una situazione altamente irregolare e difficilmente interpretabile; tuttavia è stato possibile evidenziare qualitativamente l’effetto della portata sulle perdite di carico. Nella terza ed ultima sezione il moto bifase acqua-vapore nel tubo elicoidale in condizioni adiabatiche è stato analizzato mediante un modello numerico CFD (Computational Fluid Dynamic). Data l’assenza di codici standard nella letteratura scientifica, è stato testato un approccio ragionevole per il problema in esame, ricercando poi una validazione tramite i dati sperimentali sulle perdite di carico. Tre differenti metodi sono stati tentati: il modello monofase omogeneo, un modello bifase con una mesh con celle di dimensioni grossolane, un modello bifase con una mesh più fine e con la presenza di uno strato di parete. Il modello di turbolenza scelto è il k-ε nella versione standard e in quella realizable con enhanced wall treatment. L’interfaccia fra le fasi è stata trattata con il modello Euleriano. Le simulazioni numeriche, condotte con il software commerciale FLUENT 14.0, forniscono risultati qualitativamente coerenti con le osservazioni sperimentali, con errori relativi sulle perdite di carico accettabili. Grazie a questi risultati, è stato possibile studiare i profili di frazione di vuoti e di sforzo tangenziale a parete. Quest’ultimo, essendo fortemente collegato alla componente d’attrito delle perdite di carico, è responsabile dell’andamento non monotono delle cadute di pressione; pertanto, tramite un’accurata analisi del suo comportamento al variare dei regimi di moto nel tubo bollente, è stato possibile ricavare una spiegazione fisica della presenza di un massimo nella curva delle perdite di carico in funzione del titolo termodinamico. Questo risultato è di fondamentale importanza al fine di ottenere un nuovo approccio allo studio delle perdite di carico in moto bifase nel tubo elicoidale, non più basato principalmente su osservazioni sperimentali.