Πειραματικός και υπολογιστικός προσδιορισμός πεδίου ταχυτήτων ροής ρευστού (νερού) σε ανοικτό αγωγό, λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών
Authors: Λεουσίδης Αλέξανδρος 
Published: January 2023

Το υδραυλικό φαινόμενο που διερευνάται στην παρούσα διατριβή είναι η επίδραση της θερμικού και του ψυκτικού φορτίου σε επιφάνεια ρευστού (νερού). Τα πειράματα αφορούν στη μελέτη θερμοκρασιακού πεδίου νερού, όταν ένα τμήμα της επιφάνειάς του δέχεται στην μία περίπτωση θερμικό φορτίο (ακτινοβολία) και στην άλλη περίπτωση ψυκτικό φορτίο (συναγωγή). Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε ανοικτό κανάλι σταθερής οριζόντιας κλίσεως μήκους δέκα (10)m και πλάτους μισού (0,50)m. Η πλήρωση του καναλιού με νερό πραγματοποιείται σε διάφορα βάθη των 5,10,15 και 20 cm.Αρχικά διερευνάται η επίδραση της θερμικού φορτίου στην επιφάνεια του νερού όπου η τιμή της ακτινοβολίας ρυθμίζεται με την βοήθεια ροοστάτη. Στη συνέχεια διερευνάται η επίδραση ψυκτικού φορτίου (με συναγωγή) στην επιφάνεια του νερού. Από το φαινόμενο αυτό παράγονται ταχύτητες οι οποίες μετρήθηκαν σε διδιάστατο πεδίο (2D) με τη βοήθεια χρωστικής ουσίας ροδαμίνης (rhodamine). Με την μέθοδο αυτή προσδιορίζεται το πεδίο ταχυτήτων του ρευστού σε διάφορες χρονικές στιγμές και σε επιλεγόμενες περιοχές. Το πεδίο αυτό θα είναι χρονικά μεταβαλλόμενο μέχρι την χρονική στιγμή που θα δημιουργηθεί θερμική ισορροπία και θα γίνει μόνιμο. Πιο συγκεκριμένα ο υπολογισμός των πεδίων ταχυτήτων καθώς και του προφίλ της θερμικής/ψυχρής σφήνας, πραγματοποιείται με την έκχυση της χρωστικής ουσίας κοντά στην αρχική θέση του πειράματος σε κατακόρυφη διατομή από τον πυθμένα έως την ελεύθερη επιφάνεια (με μηδενική ταχύτητα). Κατά την διάρκεια έκχυσης πραγματοποιείται βιντεοσκόπηση της κίνησης της χρωστικής από τρεις κάμερες (με ταυτόχρονη έναρξη καταγραφής) τοποθετημένες σε τρία σταθερά σημεία. Με την μέθοδο αυτή προσδιορίζεται η μετακίνηση της χρωστικής κατά τον άξονα Χ (κατά μήκος του καναλιού) στην μονάδα του χρόνου (βιντεοσκόπηση 25 frames/sec). Ακολούθως πραγματοποιείται επεξεργασία της καταγραφής (video) με την χρήση του προγράμματος Abode Premiere και στην συνέχεια με την χρήση κώδικα μέσω MatLAB σχεδιάζονται τα προφίλ της μετακίνησης, όπου παράγονται οι συντεταγμένες μετακίνησης σε pixels κατά τον άξονα Χ.Για την μέτρηση του θερμοκρασιακού πεδίου χρησιμοποιήθηκε αδιάβροχο ψηφιακό θερμόμετρο ακριβείας με ακίδα. Η πυκνότητα του νερού μετρήθηκε με εργαστηριακό πυκνόμετρο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ταχύτητες που αναπτύσσονται με θερμική ακτινοβολία (θέρμανση) είναι μικρότερες σε σχέση με αυτές που αναπτύσσονται με συναγωγή (ψύξη).Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη μαθηματικού μοντέλου με σκοπό τη σύγκριση υπολογιστικών και πειραματικών αποτελεσμάτων. Για την προσπάθεια αυτή χρησιμοποιήθηκε γλώσσα προγραμματισμού σε πηγαίο (source) κώδικα 3ης γενιάς (Υψηλού επιπέδου_ Fortran 90 - πρόγραμμα Microsoft PowerStation) και το πρόγραμμα surfer απεικόνισης των αποτελεσμάτων.Η ιδέα του όλου εγχειρήματος έλαβε υπόψη την βιβλιογραφική έρευνα που πραγματοποιήθηκε τόσο στο Ελλαδικό όσο και στο Διεθνή χώρο. Επίσης η μεταφορά του φυσικού φαινομένου υπό εργαστηριακή κλίμακα αποτελεί μία πρωτοτυπία στον υδραυλικό χώρο, καθώς σύμφωνα με την βιβλιογραφική έρευνα διαπιστώθηκε ότι δεν υπάρχει παρόμοια μελέτη στον χώρο. Η συγκεκριμένη μελέτη έχει ως στόχο την κατανόηση του υδραυλικού φαινομένου, δηλαδή την μελέτη των πεδίων ταχυτήτων που αναπτύσσονται στο νερό, καθώς και τον προσδιορισμό του μήκους μεταφοράς της μάζας του αποκλειστικά και μόνο υπό την επίδραση θερμικού ή ψυκτικού φορτίου. Σε μελλοντικές προτάσεις εντάσσονται η ένταξη και άλλων παραμέτρων στην μελέτη του φαινομένου, όπως βλάστηση, ύπαρξη αλατότητας κ.α.