- / -

Η φωτοβολταϊκή ενέργεια έχει τεράστια σημασία για το μέλλον της κοινωνίας μας, ιδιαίτερα από περιβαλλοντική και οικονομική άποψη, ενώ αξιοποιείται σε όλο και περισσότερες εφαρμογές. Στην παρούσα εργασία, θα ασχοληθούμε με μία απ’ αυτές, στην οποία η φ/β ενέργεια χρησιμοποιείται για άντληση νερού. Το σύστημα, που θα μελετήσουμε, αποτελείται από μία φ/β συστοιχία, συνδεδεμένη απ’ ευθείας με έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος, ο οποίος συνδέεται μηχανικά με μια αντλία, η οποία λειτουργεί σε πραγματικές συνθήκες. Η συγκεκριμένη τοπολογία σύνδεσης της συστοιχίας με έναν κινητήρα – φορτίο είναι γνωστή ως τοπολογία “direct coupling”. Αφού αναλύσουμε τη λειτουργία κάθε στοιχείου του συστήματος ξεχωριστά, στη συνέχεια διερευνούμε θεωρητικά και πειραματικά τα χαρακτηριστικά του ιδανικού φορτίου για μια φ/β γεννήτρια, καθώς και τους όρους προσαρμογής του σ’ αυτή, και διατυπώνουμε λύσεις για βέλτιστο σχεδιασμό του συστήματος, με στόχο την επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης. / Photovoltaic energy is crucially important for the future of our society, regarding environmental and financial issues, while is being utilized in a growing number of applications. This essay is about one of them, in which PV energy is used for water pumping. We are going to study a system, which consists of a PV solar array, supplying a DC motor, coupled with a water pump, while the pump is operating in real conditions. This specific topology is also known as “direct coupling”. After we analyze the function of each component alone, we focus on the characteristics, an ideal load must have, in order to have an efficient adaptation on the PV generator, through a theoretical and experimental approach on the system. Finally we try to formulate specific engineering rules for an optimal adjustment of the system parameters, aiming for high system efficiency.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η πειραματική και η υπολογιστική διερεύνηση της επίδρασης της γωνίας εισόδου των πτερυγίων στη σπηλαίωση και την απόδοση μίας φυγοκεντρικής αντλίας. Στην εργασία αυτή πραγματοποιείται ο σχεδιασμός των πτερυγίων εφαρμόζοντας μία νέα μέθοδο, το σύνθετο διπλό κυκλικό τόξο(Double-Arc Synthetic Method - DASM), η οποία συνδυάζει δύο μεθόδους σχεδιασμού κατά Pfleiderer. Για την υλοποίηση της πειραματικής μελέτης, κατασκευάζονται τρία διαφορετικά στροφεία με γωνία εισόδου των πτερυγίων 9, 15 και 21 μοίρες, από κράμα αλουμινίου και από πλεξιγκλάς. Κατασκευάζεται πειραματική εγκατάσταση αντλίας και εξοπλίζεται με μεγάλης ακρίβειας όργανα μέτρησης. Διαφανή μέρη της πειραματικής εγκατάστασης επιτρέπουν την παρατήρηση της ροής και της σπηλαίωσης στο εξεταζόμενο στροφείο της αντλίας και με τη βοήθεια ενός στροβοσκόπιου φωτογραφίζεται η σπηλαίωση που αναπτύσσεται στα πτερύγια. Η πειραματική ανάλυση επικεντρώνεται στη μελέτη της μονοφασικής ροής και της σπηλαίωσης. Συγκεκριμένα, για την πειραματική μελέτη της μονοφασικής ροής, εξετάζεται η μεταβολή του μανομετρικού και του βαθμού απόδοσης της αντλίας συναρτήσει της παροχής της. Επιπλέον, μελετάται η μεταβολή του μανομετρικού και του βαθμού απόδοσης της αντλίας συναρτήσει της γωνίας εισόδου των πτερυγίων, για τρεις διαφορετικές εξεταζόμενες παροχές. Εξετάζεται η απόκλιση των πειραματικών αποτελεσμάτων του μανομετρικού από τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προκύπτουν από το νόμο ομοιότητας. Τέλος, υπολογίζεται η αβεβαιότητα των μετρήσεων και συγκεκριμένα του μανομετρικού και του βαθμού απόδοσης της αντλίας. Μελετώντας πειραματικά τη σπηλαίωση, επικεντρωνόμαστε στη μεταβολή του μανομετρικού και του βαθμού απόδοσης της αντλίας συναρτήσει του διαθέσιμου καθαρού θετικού ύψους αναρρόφησης, για διάφορες παροχές της αντλίας. Μελετάται η μεταβολή του μανομετρικού και του βαθμού απόδοσης της αντλίας συναρτήσει της γωνίας εισόδου των πτερυγίων, για τρεις διαφορετικές τιμές του διαθέσιμου καθαρού θετικού ύψους αναρρόφησης. Στη συνέχεια εξετάζεται το ποσοστό πτώσης του μανομετρικού τη στιγμή που ξεκινάει η σπηλαίωση, αλλά και το μέγιστο ποσοστό πτώσης του, για τη μεγαλύτερη εξεταζόμενη παροχή. Εξετάζεται η μεταβολή του απαιτούμενου καθαρού θετικού ύψους αναρρόφησης και του κρίσιμου αριθμού σπηλαίωσης συναρτήσει της παροχής της αντλίας, για τις τρεις γωνίες εισόδου των πτερυγίων. Τέλος, υπολογίζεται η αβεβαιότητα των μετρήσεων και συγκεκριμένα του μανομετρικού, του διαθέσιμου καθαρού θετικού ύψους αναρρόφησης και του βαθμού απόδοσης της αντλίας. Επιπλέον, στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιείται υπολογιστική ανάλυση τρισδιάστατων μοντέλων φυγοκεντρικής αντλίας με δομημένο πλέγμα, χρησιμοποιώντας το υπολογιστικό πακέτο ANSYS CFD-Fluent, για τη μελέτη της μονοφασικής ροής και της σπηλαίωσης των εξεταζόμενων στροφείων της αντλίας. Η υπολογιστική μελέτη της μονοφασικής ροής για τα τρία διαφορετικά εξεταζόμενα στροφεία της φυγοκεντρικής αντλίας επικεντρώνεται στη μεταβολή του μανομετρικού της αντλίας συναρτήσει της παροχής της και εξετάζεται η απόκλιση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων του μανομετρικού από τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προκύπτουν από τα πειράματα. Μελετάται η κατανομή της απόλυτης πίεσης στο μέσο επίπεδο των εξεταζόμενων στροφείων της αντλίας και η αδιάστατη κατανομή της απόλυτης πίεσης γύρω από το μέσο επίπεδο των στροφείων, για τη μέγιστη εξεταζόμενη παροχή. Η υπολογιστική μελέτη της σπηλαίωσης επικεντρώνεται, κυρίως, στη μεταβολή του μανομετρικού της αντλίας συναρτήσει του διαθέσιμου καθαρού θετικού ύψους αναρρόφησης και εξετάζεται η απόκλιση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων του μανομετρικού από τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προκύπτουν από τα πειράματα. Εξετάζεται η κατανομή της απόλυτης πίεσης στο μέσο επίπεδο των εξεταζόμενων στροφείων της αντλίας και η αδιάστατη κατανομή της απόλυτης πίεσης γύρω από το μέσο επίπεδο των στροφείων, για τη μέγιστη εξεταζόμενη παροχή. Τέλος, παρουσιάζονται οι κατανομές της σπηλαίωσης, που προκύπτουν από τα υπολογιστικά αποτελέσματα και συγκρίνονται με τις αντίστοιχες φωτογραφίες με σπηλαίωση που ελήφθησαν με τη βοήθεια του στροβοσκόπιου κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, για τις τρεις γωνίες εισόδου των πτερυγίων. Από τα αποτελέσματα της πειραματικής και της υπολογιστικής διερεύνησης παρατηρούμε ότι η απόκλιση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων από τα αντίστοιχα πειραματικά είναι πολύ μικρή. Επομένως, η υπολογιστική ανάλυση που αναπτύσσεται στην παρούσα εργασία αποτελεί ένα αξιόπιστο εργαλείο διερεύνησης των ροϊκών μεγεθών και της σπηλαίωσης σε φυγοκεντρικές αντλίες και αποσκοπεί σε μελλοντικές μελέτες, όπως την παραμετρική διερεύνηση και τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού μίας αντλίας. / Object of the present doctoral thesis constitutes the experimental and computational study of the effect of the blade leading edge angle to the cavitation and performance of a centrifugal pump. In this study, the blade design is realized, applying a new blade design method (Double-Arc Synthetic Method - DASM), that combines two Pfleiderer' s design methods. For the realization of the experimental study, three different centrifugal pump impellers, with blade leading edge angle of 9, 15 and 21 deg, are constructed by aluminium alloy and plexiglas. A pump test rig is constructed and equipped with high accuracy instrumentation. Transparent parts of the pump test rig allow the observation of fluid flow inside the examined impeller and the photography of the cavitation that is developed in the blades, using a stroboscope. The experimental analysis is focused on the study of the one-phase flow and cavitation. Concretely, for the experimental study of the one-phase flow, the change of the total head and performance of the pump with respect to the flow rate is examined. Moreover, the change of the total head and performance of the pump with respect to the blade leading edge angle is studied, for three different flow rates. The deviation of the experimental results of the total head from the corresponding results of the affinity law is investigated. Lastly, the uncertainty of the measurements and concretely of the total head and performance of the pump is calculated. Studying experimentally the cavitation, we focus on the change of the total head and performance of the pump with respect to the net positive suction head available, for different flow rates. The change of the total head and performance of the pump with respect to the blade leading edge angle, for three different values of the net positive suction head available is tested. Afterwards, the percentage of the total head drop is examined, when cavitation begins. Moreover, the maximum percentage of the total head drop is studied for the greatest tested flow rate. The change of the net positive suction head required and the crucial cavitation number with respect to the flow rate is studied, for three different blade leading edge angles. Lastly, the uncertainty of the measurements and concretely of the total head, the net positive suction head available and the performance of the pump is calculated. Furthermore, in the present doctoral thesis the computational analysis of three-dimensional centrifugal pump with structured mesh is realized using the computational package ANSYS CFD-Fluent, for the study of both the one-phase flow and the cavitation, of the tested centrifugal pump impellers. The computational study of the one-phase flow for the three different examined centrifugal pump impellers, is focused on the change of the total head with respect to the flow rate. Furthermore, the deviation of the computational results of the total head from the corresponding results of the experimental study is investigated. The absolute pressure distribution inside the tested centrifugal pump impellers at the middle span and the dimensionless pressure distribution around the impellers, at the middle span, are investigated for the greatest flow rate. The computational study of the cavitation, is mainly focused on the change of the total head with respect to the net positive suction head available. Moreover, the deviation of the computational results of the total head from the corresponding results of the experimental study is investigated. The absolute pressure distribution inside the tested centrifugal pump impellers at the middle span and the dimensionless pressure distribution around the impellers, at the middle span, are investigated for the greatest flow rate. Lastly, the vapour distributions are resulted by the computational analysis and are compared with the corresponding photographs of cavitation that were snapped with the aid of the stroboscope, during the experiments, for the three blade leading edge angles. From the experimental and computational results, we observe that the deviation of the computational results from the corresponding experimental results is very small. Thus, the computational analysis that is developed in the present work constitutes a reliable tool of the investigation of the flowfield and cavitation in centrifugal pumps and it aims at future studies, such as parametric investigation and optimization of pump design.

Φαινόμενα άντλησης με ή χωρίς βαλβίδες εξετάζονται πειραματικά και θεωρητικά μέσω κυλινδρικών εύκαμπτων αγωγών. Το φαινόμενο της άντλησης ρευστού χωρίς βαλβίδες μελετάται πειραματικά σε κλειστό βρόχο αποτελούμενο από δύο αγωγούς, έναν εύκαμπτο και έναν άκαμπτο. Αναπτύσσεται μη μηδενική μέση χρονικά παροχή ρευστού όταν διεγείρεται τμήμα του εύκαμπτου αγωγού σε συγκεκριμένες συχνότητες και πλάτη διέγερσης. Η διέγερση επιτυγχάνεται μέσω συμπίεσης και αποσυμπίεσης του εύκαμπτου αγωγού από έναν κατάλληλο παλινδρομικό μηχανισμό. Εξετάζονται τέσσερις παράμετροι επιρροής του φαινομένου, η συχνότητα, το μήκος, το πλάτος και η θέση της διέγερσης. Καταγράφονται τα σήματα μέτρησης της παροχής στο μέσον του άκαμπτου αγωγού, οι τιμές της στατικής πίεσης στα άκρα του άκαμπτου αγωγού και η κατακόρυφη μετατόπιση της πλάκας συμπίεσης. Επιπλέον, προσδιορίζεται η παραμόρφωση της εγκάρσιας διατομής του ελαστικού αγωγού στην περιοχή της διέγερσης, κατά τη συμπίεση και αποσυμπίεσή του για διάφορα πλάτη διέγερσης. Τα αποτελέσματα φανερώνουν την ανάπτυξη ροής προς μία κατεύθυνση με την αύξηση της συχνότητας διέγερσης. Η ροή αυτή μεγιστοποιείται όταν η συχνότητα διέγερσης ταυτίζεται με την ιδιοσυχνότητα του υδραυλικού κυκλώματος. Η μέση χρονικά παροχή αυξάνει καθώς το σημείο διέγερσης απομακρύνεται από το μέσον του εύκαμπτου αγωγού και επίσης με την αύξηση του πλάτους ή του μήκους διέγερσης. Θεωρητικά το φαινόμενο της άντλησης χωρίς βαλβίδες μελετάται μέσω της ανάπτυξης ενός κατάλληλου ψευδο-μονοδιάστατου μοντέλου που επιλύεται αριθμητικά, θεωρώντας ξανά κλειστό βρόχο ενός εύκαμπτου και ενός άκαμπτου αγωγού. Οι εξισώσεις του μοντέλου διαμορφώνονται με την ολοκλήρωση των εξισώσεων ροής (συνέχειας και ορμής) επί της εγκάρσιας διατομής του κλειστού βρόχου, θεωρώντας αξονοσυμμετρική ροή ασυμπίεστου ρευστού με σταθερό ιξώδες. Χρησιμοποιείται επίσης μία καταστατική εξίσωση που σχετίζει την αναπτυσσόμενη πίεση με την μεταβαλλόμενη εγκάρσια διατομή του βρόχου, έχοντας υποθέσει λεπτά ελαστικά τοιχώματα αγωγών με γραμμικές παραμορφώσεις. Επιλύεται αριθμητικά μη γραμμικό σύστημα μερικών διαφορικών εξισώσεων υπερβολικού τύπου, μέσω τριών αριθμητικών σχημάτων: Lax-Wendroff, MacCormack, και Dispersion Relation Preserving (DRP), το οποίο παρουσιάζει και την υψηλότερη ακρίβεια. Οι τρεις άγνωστες συναρτήσεις που υπολογίζονται στο χώρο και το χρόνο είναι η εγκάρσια διατομή του κλειστού κυκλώματος, η αναπτυσσόμενη εσωτερική πίεση του ρευστού και η ταχύτητά του. Σε κάποιο σημείο του εύκαμπτου αγωγού η περιοδική διέγερση προκαλεί κατευθυνόμενη ροή του ρευστού υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Όταν η διέγερση απομακρύνεται από το μέσον του εύκαμπτου αγωγού, αναπτύσσεται διαφορά φάσης μεταξύ των κυματομορφών της πίεσης στα σημεία σύνδεσης των δύο αγωγών. Η κυματομορφή της πίεσης που προηγείται είναι αυτή που διαμορφώνεται στο σημείο σύνδεσης των δύο αγωγών που είναι πιο κοντά στη διέγερση. Με αύξηση του πλάτους ή του μήκους του διεγειρόμενου τμήματος του κλειστού κυκλώματος, η μέση χρονικά παροχή αυξάνει και μεγιστοποιείται στην ιδιοσυχνότητα του συστήματος. Μεταβάλλοντας τη συχνότητα διέγερσης στο πεδίο μακριά της συχνότητας συντονισμού, εμφανίζονται τοπικά ακρότατα της συνάρτησης της μέσης χρονικά παροχής με τη συχνότητα, τα οποία αναδεικνύουν τον περίπλοκο χαρακτήρα του φαινομένου της άντλησης χωρίς βαλβίδες. Τα αποτελέσματα του μοντέλου παρουσιάζουν την ίδια συστηματικότητα με τα αντίστοιχα του πειράματος, διατηρώντας τα περισσότερα χαρακτηριστικά και τάσεις στις μεταβολές. Κατά το πρώιμο στάδιο κύησης του εμβρύου το αίμα κυκλοφορεί προς μία κατεύθυνση στο πρωταρχικό κυκλοφορικό σύστημα του εμβρύου, παρότι οι βαλβίδες απουσιάζουν. Το παραπάνω θεωρητικό μοντέλο επιλύεται με αριθμητικά δεδομένα από τη φυσιολογία του εμβρύου, γι’ αυτό το πρώιμο στάδιο κύησης, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο DRP 4ης τάξης ακρίβειας στο χώρο και το χρόνο. Το μέγεθος της μέσης παροχής του αίματος εξαρτάται από τους εμβρυϊκούς καρδιακούς παλμούς και το βαθμό συστολής του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα. Η αντλητική ικανότητα του κυκλοφορικού συστήματος του εμβρύου εκφράζεται με τη μέση παροχή αίματος ως συνάρτηση των καρδιακών παλμών και του βαθμού συστολής του αρχέγονου καρδιακού σωλήνα. Το φαινόμενο της άντλησης με βαλβίδες μελετάται πειραματικά μέσω ενός ανατάξιμου εύκαμπτου αγωγού, ο οποίος συμπιέζεται από ένα μηχανισμό δίχρονης περισταλτικής αντλίας. Μία πρότυπη συσκευή έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί, ώστε να αναλυθεί η συμπεριφορά και να εξαχθούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες της δίχρονης περισταλτικής αντλίας. Περισταλτικές αντλίες αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται στην ιατρική σε εφαρμογές παρεντερικής διατροφής, άντλησης του αίματος και ειδικότερα σε έγχυση φαρμάκων. Για την κατασκευή της πρότυπης αντλίας, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας καινοτομικός μηχανισμός εκκεντροφόρου άξονα, ο οποίος επιτυγχάνει σταθερό ρυθμό έγχυσης. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από δύο δεξαμενές υπερχείλισης που συνδέονται μέσω ενός σωλήνα ελαστικού σιλικόνης. Το όλο σύστημα πληρώνεται με αποσταγμένο νερό και η άντληση επιτυγχάνεται από τη μία δεξαμενή στην άλλη με κατάλληλη προοδευτική συμπίεση ενός τμήματος του ελαστικού αγωγού μέσω του μηχανισμού της αντλίας. Η παροχή μετράται ζυγίζοντας τη δεξαμενή κατάθλιψης, η οποία είναι τοποθετημένη σε δυναμοκυψέλη γι’ αυτό το σκοπό. Για χαμηλές συχνότητες λειτουργίας η έγχυση είναι σχεδόν ομαλή χωρίς πάλμωση. Επίσης, η παροχή εξαρτάται κυρίως από τη συχνότητα περιστροφής του άξονα της αντλίας και μεγιστοποιείται γύρω από την ιδιοσυχνότητα της συσκευής. / Valveless and valvate pumping phenomena are investigated experimentally and theoretically through cylindrical distensible tubes. The phenomenon of valveless pumping is studied experimentally in a loop consisting of two tubes, a soft and a hard one filled with salted water. A non zero mean flow-rate is established via a reciprocating flat plate mechanism compressing and decompressing a portion of the flexible tube with a controllable frequency and depth of compression. Four parameters of the problem were examined, namely the frequency of the oscillating plate, its length, the depth of compression and the location where the tube is compressed. Four signals were simultaneously recorded, namely the flow-rate at the mid length of the hard tube, the static pressure at the tube’s ends and the displacement of the oscillating plate. Also, the tube cross-sectional area was measured versus the displacement of the oscillating plate for various values of the maximum depth of compression. Analysis of the obtained data showed that a unidirectional flow is established increasing the frequency of compression and it maximizes when the compression frequency coincides with the natural frequency of the hydraulic loop. The mean value of the flow-rate increases when the point of compression moves far from the mid length of the flexible tube, when the length of the reciprocating plate increases and when the depth of compression increases. Additionally, the development of a theoretical model of valveless pumping and its numerical solution is presented, applied for the case of the closed hydraulic loop, consisting of a flexible and a rigid tube. The integration of the governing flow equations (continuity and momentum), over the tube cross-sectional area results in a quasi-one-dimensional unsteady model, considering axisymmetric flow of incompressible fluid with constant viscosity. There was also used a constitutive state equation, relating pressure and cross-sectional area, and assuming that the deformations of the thin-walled tubes are purely elastic. A system of nonlinear partial differential equations of the hyperbolic type is solved numerically, employing three finite difference schemes: Lax-Wendroff, MacCormack, and Dispersion Relation Preserving (DRP), the last being the most accurate one. Three functions in time and space are calculated, the cross-sectional area of the closed loop, the building up internal pressure and the velocity of the fluid inside the loop. A periodic compression and decompression of the flexible tube causes a unidirectional flow, under certain conditions. When the excitation takes place far from the midlength of the flexible tube, a phase difference between the pressures at the two edges of each tube is developed, being in advance the one that is closer to the excitation area. Increasing the tube occlusion or the length of the excited part of the loop the mean flow rate increases and maximizes at the natural frequency of the loop. Varying the excitation frequency both above and below the resonance frequency, local flow rate extremes appear, manifesting the complex character of the valveless pumping phenomenon. The simulated results maintain most of the characteristics found in the experiment. During early embryonic life, blood circulates in one direction through the primitive circulatory system, in spite of the complete lack of valves. The above mathematical model described the coordinated fashion of the blood circulation in the circulatory system of the embryo. The one-dimensional model is analysed numerically and solved with the DRP scheme, which is of fourth order accurate in time and space. The mean blood flow-rate depends on the embryonic heart rate and the contraction grade of the primordial heart tube. The pumping activity of the embryo circulatory system is shown by presenting the mean blood flow-rate as a function of embryonic heart rate for several contraction grades of the primordial heart tube. Furthermore, the phenomenon of valvate pumping is studied experimentally through a resilient tube, compressed by a two-cycle peristaltic pump mechanism. A prototype device was designed and manufactured in order to analyze the behaviour and reveal the characteristic curves of such a pump. This kind of pump can be used in medicine for nutrition, pumping blood and especially for drug infusion therapies. Concerning the manufacturing of this prototype device, an innovative mechanism was applied, regarding the camshaft of the pump, in order to achieve constant infusion flow-rate in time. The experimental set-up consists of two rigid overflow vessels filled with distilled water, communicating via a silicone rubber tube. Pumping is achieved from one vessel to the other by inducing a progressive deformation (shrinkage) on a segment of the silicone rubber tube through the pump. The flow-rate is measured by weighing the fluid-receiver vessel, which is placed on a single point load-cell platform. At low pumping frequencies the flow-rate is almost steady. Also it is shown that the flow-rate is mainly dependent on the rotating frequency of the pump and maximizes when the excitation frequency coincides with the natural frequency of the device.