Numerical and experimental investigation of brine discharge from desalination plants into coastal waters
Authors: Νικηφοράκης Ιωάννης 
Published: September 2021

Η περισσότερο διαδεδομένη και οικονομική μέθοδος διάθεσης της άλμης από εγκαταστάσεις αφαλάτωσης είναι η παροχέτευσή της στα παράκτια νερά με υποθαλάσσιο αγωγό και κατάλληλο έργο διάθεσης (διαχυτήρες). Όταν η άλμη διατίθεται στα παράκτια νερά ακολουθεί τροχιά φλέβας: (α) βαρύτερης από το θαλασσινό νερό, όταν διατίθεται από εγκαταστάσεις αντίστροφης όσμωσης ή (β) ελαφρύτερης από το θαλασσινό νερό, όταν διατίθεται από εγκαταστάσεις θερμικής επεξεργασίας. Και στις δυο περιπτώσεις διακρίνονται δυο κύριες περιοχές κίνησης της φλέβας: (α) του κοντινού, και (β) του μακρινού πεδίου. H περιοχή του κοντινού πεδίου θεωρείται ότι εκτείνεται μέχρι το σημείο πρόσπτωσης σε όριο, δηλ. στον πυθμένα στην πρώτη περίπτωση διάθεσης και στην ελεύθερη επιφάνεια στη δεύτερη, μετά το οποίο ξεκινά η περιοχή του μακρινού πεδίου.Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η δόμηση μαθηματικών μοντέλων για την περιγραφή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και των χαρακτηριστικών αραίωσης της άλμης. Τα μοντέλα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην επιλογή της κατάλληλης διάταξης διάθεσης που επιφέρει τη μέγιστη αραίωση της άλμης, ώστε να μειωθούν οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τις υψηλές συγκεντρώσεις αλατότητας και θερμοκρασίας (και ενδεχομένως άλλων χημικών).Οι ερευνητικοί στόχοι της διατριβής είναι: (1) η δόμηση ολοκληρωμένων μοντέλων για την περιγραφή των χαρακτηριστικών της άλμης κατά τη διάθεση της σε παράκτια νερά, (2) η εξασφάλιση της αξιοπιστίας των μοντέλων με τον έλεγχο, βαθμονόμηση και επιβεβαίωσή τους με μετρήσεις που θα συγκεντρωθούν είτε από υφιστάμενες εργασίες είτε από πειράματα που θα διεξαχθούν στο πλαίσιο της διατριβής, και (3) η εφαρμογή ενός ολοκληρωμένου μοντέλου σε περίπτωση διάθεσης άλμης.Πειραματική διερεύνηση: Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τα οποία προσδιορίστηκαν για κεκλιμένες βαρύτερες φλέβες: (Α1) τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά (τροχιά άξονα και το εξωτερικό όριο της φλέβας) του κοντινού πεδίου, και (Α2) τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και αραίωση στην αρχή του μακρινού πεδίου. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για τον προσδιορισμό των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και της αραίωσης (Β1) στο κοντινό και (Β2) το μακρινό πεδίο βαρύτερων φλεβών που εκβάλλουν από οριζόντιο ή κατακόρυφο στόμιο διάθεσης σε ύψος από τον πυθμένα.Από την πειραματική διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε εξάγονται τα ακόλουθα συμπεράσματα: (1) τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των κεκλιμένων φλεβών βρίσκονται σε ικανοποιητική συμφωνία με τις τιμές που έχουν παρατηρηθεί από άλλους ερευνητές, (2) τα ρεύματα πυκνότητας που σχηματίζονται πάνω σε κεκλιμένο πυθμένα από την πρόσπτωση βαρύτερων φλεβών μπορούν να προσεγγιστούν με δύο ημι-ελλείψεις που έχουν ως κέντρο το σημείο πρόσπτωσης του άξονα της φλέβας, (3) η παρουσία του οριζόντιου πυθμένα επηρεάζει την αραίωση των κατακόρυφων φλεβών μέχρι ενός ύψους από τον πυθμένα, και (4) στη γειτονία του σημείου πρόσπτωσης του άξονα των φλεβών στον πυθμένα εμφανίζονται μεγάλες διακυμάνσεις της συγκέντρωσης εξαιτίας της τυρβώδους ροής, οι οποίες εξασθενούν με την απόσταση από το σημείο πρόσπτωσης ακολουθώντας τη μείωση της έντασης της τύρβης. Η αραίωση που επιτυγχάνεται στην τελευταία περίπτωση μπορεί να συνδεθεί γραμμικά με την απόσταση τόσο από το στόμιο εκβολής όσο και από το σημείο πρόσπτωσης. Μέρος των παραπάνω συμπερασμάτων χρησιμοποιήθηκαν για τη δόμηση του μοντέλου MCM.Υπολογιστική διερεύνηση:Δομήθηκαν δυο ολοκληρωμένα μοντέλα που προκύπτουν από τη σύνδεση μοντέλων κοντινού και μακρινού πεδίου και εφαρμόζονται στις δυο περιπτώσεις διάθεσης από εγκαταστάσεις (α) αντίστροφης όσμωσης, και (β) θερμικής επεξεργασίας. Στην πρώτη περίπτωση ως μοντέλο κοντινού πεδίου χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο CorJet της USEPA, το οποίο τροποποιήθηκε και καλείται Modified CorJet Model (MCM). Η τροποποίηση αυτή έγινε ώστε να λαμβάνεται υπόψη η διαφυγή μάζας που παρατηρείται κατά τη ροή της κεκλιμένης βαρύτερης φλέβας, με αποτέλεσμα να περιγράφονται καλύτερα τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και η αραίωση της άλμης στο κοντινό πεδίο κατά τη διάθεσή της σε ακίνητο και ομογενή αποδέκτη. Στο μακρινό πεδίο χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο Princeton Ocean Model (POM). Η σύνδεση των δύο υπο-μοντέλων έγινε με την ανάπτυξη κατάλληλου αλγόριθμου. Οι υπολογισμοί του ολοκληρωμένου μοντέλου επαληθεύτηκαν με πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία, καθώς και με τα πειράματα Α2 της πειραματικής διερεύνησης.Στη δεύτερη περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε στο κοντινό πεδίο το μοντέλο CorJet, χωρίς τροποποίηση, και στο μακρινό πεδίο χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο FLOW-3DL του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Υδραυλικής του ΕΜΠ. Η σύνδεση των δύο υπο-μοντέλων έγινε με την ανάπτυξη κατάλληλου αλγόριθμου που επιτρέπει την αλληλεπίδραση των δύο υπο-μοντέλων σε κινούμενο και ομογενή αποδέκτη. Αρχικά, οι υπολογισμοί του μοντέλου επαληθεύτηκαν με πειραματικά δεδομένα της βιβλιογραφίας, και στη συνέχεια το μοντέλο εφαρμόστηκε σε μια πρακτική περίπτωση για τον υπολογισμό των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και της αραίωσης ελαφρύτερης φλέβας που εκβάλει στα παράκτια ύδατα της περιοχής Μαντουδίου.