Διερεύνηση της σύγκρουσης ρευμάτων βαρύτητας με τη μέθοδο προσομοίωσης μεγάλων δινών (LES)
Authors: Κόκκινος Άγγελος 
Published: November 2023

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μετωπική σύγκρουση δύο ρευμάτων βαρύτητας (ΡΒ). Τα ΡΒ είναι, κατά κύριο λόγο, οριζόντιες ανωστικές ροές που προκαλούνται από οριζόντια βαθμίδα πίεσης λόγω διαφοράς πυκνότητας, που οφείλεται σε διαφορά συγκέντρωσης ή θερμοκρασίας. Η διατριβή εστιάζει στην διερεύνηση της σύγκρουσης ΡΒ με τη μέθοδο προσομοίωσης μεγάλων δινών (LES). Στόχος της διατριβής είναι η διερεύνηση των φυσικών διεργασιών που διέπουν το φαινόμενο με την παραγωγή και ανάλυση νέων αποτελεσμάτων που δεν υπάρχουν στη διεθνή βιβλιογραφία. Τα ΡΒ που εξετάζονται έχουν μικρή διαφορά πυκνότητας με το περιβάλλον ρευστό (~10%), δηλαδή ικανοποιούν την παραδοχή Boussinesq. Μελετώνται και οι δύο βασικοί τύποι σύγκρουσης, η συμμετρική και η μη-συμμετρική. Συμμετρική θεωρείται η σύγκρουση όταν τα ΡΒ έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά (ύψος και πυκνότητα). Η μελέτη της σύγκρουσης γίνεται μέσω πειραμάτων μικρής κλίμακας. Η διάταξη αποτελείται από δεξαμενή με δύο θυρίδες που αρχικά χωρίζουν την δεξαμενή σε τρεις περιοχές. Πίσω από τις θυρίδες τοποθετούνται ρευστά πυκνότητας ρi ενώ στη μεσαία περιοχή τοποθετείται ρευστό μικρότερης πυκνότητας ρ0 (< ρi). Με την ταυτόχρονη ανάσυρση των θυρίδων αναπτύσσονται ΡΒ τα οποία κινούνται το ένα αντίθετα από το άλλο και συγκρούονται. Το φαινόμενο μελετάται για τη περίπτωση μη-στρωματωμένου και γραμμικά στρωματωμένου περιβάλλοντος. Η ανάλυση στηρίζεται σε πέντε αδιάστατες παραμέτρους οι οποίες είναι: ο λόγος του ύψους των ρευστών πίσω από τις θυρίδες (Di) προς το συνολικό ύψος της δεξαμενής (H), ο λόγος των υψών (D2 / D1) και της διαφοράς πυκνότητας (Δρ2 / Δρ1, όπου Δρi = ρi - ρ0) των ρευστών πίσω από τις θυρίδες, o ανωστικός αριθμός Reynolds (Rb) και η ισχύς της στρωμάτωσης (S). Οι παράμετροι D2 / D1 και Δρ2 / Δρ1 εκφράζουν διαφορές μεταξύ των δύο ΡΒ και υπό αυτή την έννοια εισάγουν την ασυμμετρία στο πρόβλημα. Η ανάλυση του φαινομένου έγινε με την διενέργεια αριθμητικών πειραμάτων με την μέθοδο προσομοίωσης μεγάλων δινών. Το μοντέλο επιλύει της τρισδιάστατες φιλτραρισμένες Navier-Stokes εξισώσεις για ασυμπίεστη ροή. Επιπλέον, για την μεταβολή της πυκνότητας επιλύεται μία εξίσωση μεταφοράς της συγκέντρωσης (C). Το μοντέλο χρησιμοποιεί το δυναμικό μοντέλο Smagorinsky για την μοντελοποίηση της επίδρασης των μικρών κλιμάκων ταχύτητας που δεν επιλύονται. Η συμπερίληψη της στρωμάτωσης στην ανάλυση της σύγκρουσης ΡΒ εισάγει στο πρόβλημα την αλληλεπίδραση μεταξύ ΡΒ και εσωτερικών κυμάτων (ΕΚ). Έτσι, πριν από την ανάλυση της σύγκρουσης μελετάται η κίνηση ενός ΡΒ σε στρωματωμένο περιβάλλον. Σε ό,τι αφορά τη σύγκρουση ΡΒ η ανάλυση αρχικά επικεντρώνεται στη συμμετρική σύγκρουση. Αναλύθηκε η επίδραση των D / H και Rb στα χαρακτηριστικά της σύγκρουσης καθώς και η επίδραση του Rb στην ανάμιξη κατά τη σύγκρουση. Στην συνέχεια, αναλύθηκε η ασύμμετρη σύγκρουση, δηλαδή η σύγκρουση μεταξύ ΡΒ με διαφορετικά ύψη ή/και πυκνότητες. Διερευνήθηκε η επίδραση των D2 / D1 και Δρ2 / Δρ1 στη μέγιστη κατακόρυφη ανύψωση και τη μέγιστη κατακόρυφη ταχύτητα του συγκρουσθέντος ρευστού, στην ανάμιξη και στη μετά-τη-σύγκρουση φάση. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση της ισχύος της στρωμάτωσης του περιβάλλοντος (S) στη σύγκρουση ΡΒ. Αναλύθηκε η επίδρασή της στα χαρακτηριστικά της σύγκρουσης και την ανάμιξη και διερευνήθηκε η επίδραση των ΕΚ σε αυτά.