Τυρβώδης ροή σταγονιδίων σε στρωματοποιημένο θερμοκρασιακό πεδίο
Authors: Βούρος Ανδρέας 
Published: August 2021

Διερευνάται η αλληλεπίδραση δέσμης εκροής νέφους σταγονιδίων νερού με το θερμικά στρωματοποιημένο, τυρβώδες ρευστο-θερμικό πεδίο που αναπτύσσεται πάνω από οριζόντια θερμαινόμενη επίπεδη επιφάνεια, μέσα σε ορθογωνική κοιλότητα με ανοικτή οροφή. Τα φαινόμενα και οι φυσικοί μηχανισμοί που διέπουν την ως άνω αλληλεπίδραση πέρα από τη σημασία τους σε σχέση με τη βασική έρευνα στο πεδίο των ρευστοθερμικών φαινομένων, παρουσιάζουν ενδιαφέρον σε πληθώρα πρακτικών προβλημάτων όπως κατά τον ψεκασμό καυσίμου σε κινητήρες εσωτερικής καύσης και καυστήρες, στη διφασική ψύξη ηλεκτρονικών, στην μετεωρολογία, στην πυρόσβεση, σε διεργασίες απόθεσης και επικάλυψης κ.α. Το νέφος σταγονιδίων δημιουργείται σε έναν νεφελοποιητή και εκτοξεύεται μέσα από ένα ακροφύσιο κυλινδρικού σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 4mm, κάθετα προς την οριζόντια επίπεδη επιφάνεια και σε σημαντική απόσταση από αυτήν (50cm), δημιουργώντας αρχικά μια διφασική δέσμη εκροής σταγονιδίων.Για την δημιουργία βάσης δεδομένων αναφοράς, σημαντικό μέρος της εργασίας αναφέρεται στην καταγραφή και μελέτη του θερμικού πεδίου ελεύθερης συναγωγής που δημιουργείται πάνω από τη θερμαινόμενη πλάκα απουσία σταγονιδίων. Αντίστοιχα μελετήθηκε η ανάπτυξη ισοθερμοκρασιακής δέσμης εκροής. Η παραμετρική μελέτη της αλληλεπίδρασης δέσμης εκροής σταγονιδίων και θερμικά στρωματοποιημένου πεδίου πραγματοποιήθηκε για δέσμες με δύο αριθμούς Reynolds και για δύο ρυθμούς ροής θερμότητας από την πλάκα. Οι αριθμοί Reynolds που επιβάλλονται στη ροή δέσμης σταγονιδίων είναι χαμηλοί ώστε να ισχυροποιηθεί σχετικά η επίδραση του τοιχώματος και κυρίως οι ροϊκές δομές που δημιουργούνται λόγω των ανωστικών δυνάμεων. Οι παράμετροι που εξετάζονται περιλαμβάνουν μέσα και τυρβώδη χαρακτηριστικά τόσο των σταγόνων (μέγεθος και ταχύτητα), όσο και της θερμοκρασιακής κατανομής πάνω από την θερμαινόμενη πλάκα. Το θερμικό πεδίο καταγράφτηκε με τη βοήθεια θερμοζεύγους διαστάσεων σημαντικά μικρότερων από την κλίμακα μήκους Kolmogorov. Οι ταχύτητες και το μέγεθος των σταγονιδίων καταγράφηκαν με την τεχνική Ανεμομετρίας Φάσης Doppler, παρέχοντας επί πλέον πληροφορίες για τη συγκέντρωση και την παροχή σταγονιδίων.Αναγνωρίστηκε ως κυρίαρχη δομή του πεδίου συναγωγής το κινούμενο πλούμιο, συχνά μορφής μανιταριού. Η μορφή των κατανομών πυκνότητας πιθανότητας της θερμοκρασίας ερμηνεύθηκε σε σχέση με το ιστορικό δημιουργίας και ανταλλαγών θερμότητας των αερίων μαζών που διέρχονται από τη θέση μέτρησης. Στα φάσματα ισχύος του σήματος της θερμοκρασίας αναγνωρίσθηκε ιδιοσυχνότητα που υποδεικνύει την παρουσία δομής μεγάλης κλίμακας. Η επιφάνεια – στόχος επιβραδύνει τις δέσμες σταγονιδίων ελαττώνοντας και τις τυρβώδεις διακυμάνσεις στην περιοχή του τοιχώματος. Η θέρμανση επηρεάζει τις μέσες και κυμαινόμενες ταχύτητες σε σημαντική απόσταση από την οριζόντια πλάκα, μειώνοντας τους ρυθμούς αύξησης της παροχής αέρα λόγω συμπαράσυρσης, ιδίως σε χαμηλό Re. Το μέγεθος των σταγονιδίων μειώνεται κατάντη της ροής με διαφορετικές τάσεις ως προς τον Re. Αυξημένες τιμές της μέσης διαμέτρου Sauter (D32) παρατηρούνται κοντά στην επιφάνεια, ειδικά για την περίπτωση ισόθερμου ψεκασμού του υψηλότερου Re.