Πειραματική διερεύνηση, θεωρητική ανάλυση και αριθμητική προσομοίωση πεδίου ροής και διάχυσης θερμικού δακτυλιοειδούς πλουμίου
Authors: Στεφανίδου Μαρία 
Published: August 2023

Η μελέτη της συμπεριφοράς των θερμικών πλουμίων είναι πολλή σημαντική για τον περιορισμό των περιβαλλοντικών τους επιπτώσεων, καθώς εμφανίζονται τόσο στην φύση όσο και σε εκλύσεις που προέρχονται από τον άνθρωπο, όπως εκπομπές αέριων θερμικών ρύπων από καμινάδες ή πύργους ψύξεις και εκροές ρύπων από διαχύτες κατά την διάθεση θερμικών αποβλήτων σε υδάτινο περιβάλλον. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζεται πειραματικά, αριθμητικά και θεωρητικά το πεδίο ροής ενός δακτυλιοειδούς θερμικού πλουμίου που εκρέει με μέση ταχύτητα εξόδου 0,527 και 0,527 m/s. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα κιβώτιο θέρμανσης αέρα με δακτυλιοειδή σχισμή μέσης διαμέτρου 0,12 m και πλάτους 0,01 m, συνοδευόμενο από εξοπλισμό για τη λειτουργία εγκατάστασης και τη μέτρηση των μέσων ταχυτήτων και θερμοκρασιών. Η τροχιά των μέγιστων ταχυτήτων και τα διαγράμματα ισοταχών καμπύλων δείχνουν ότι το πλούμιο αυτοσυγχωνεύεται στο σημεία z_P0= 0,161 m και περίπου 0,20 m που αντιστοιχούν στις προαναφερόμενες ταχύτητες εξόδου. Βρέθηκε ότι το z_P0 (σημείο αυτοσυγχώνευσης) εξαρτάται κυρίως από τον αριθμό Froude και την ισοδύναμη διάμετρο του δακτυλίου. Ανιχνεύεται πειραματικά επίσης ότι οι δακτυλιοειδείς στρόβιλοι έχουν κέντρο στα σημεία z_vc= 0,0274 και 0,035 m, αντίστοιχα, και σημείο στασιμότητας z_P1≅ 0,055 m κατά μήκος της κεντρικής γραμμής του πλουμίου. Ο δακτυλιοειδής πυρήνας του πλουμίου αποκτά σχεδόν ομοιόμορφη θερμοκρασία. Στην αριθμητική έρευνα γίνεται προσομοίωση του φαινομένου που μελετήθηκε κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας με το λογισμικό ANSYS© FLUENT CFD και εξετάζονται τα ίδια μεγέθη. Για την πρόβλεψη της τροχιάς αυτοσυγχώνευσης, αναπτύσσεται ένα νέο ολοκληρωματικό μοντέλο, που ονομάζεται προσέγγιση αυτο-συγχωνεύσεως (self-merging approach, SMA). Το SMA βασίζεται στη λύση των συνήθων διαφορικών εξισώσεων ορμής και άνωσης που εφαρμόζονται σε έναν απειροελάχιστο τομέα του δακτυλιοειδούς πλουμίου, ο οποίος θεωρείται ότι είναι ισοδύναμος με δύο αντιδιαμετρικά πανομοιότυπα δισδιάστατα πλούμια. Αυτά τα πλούμια υφίστανται αλληλο-συμπαράσυρση από μια σειρά πηγών αρνητικής έντασης κατά μήκος της κεντρικής γραμμής. Η ένταση των πηγών υπολογίζεται από μια νέα (πρωτότυπη) σχέση. Οι προβλέψεις που προκύπτουν από την εφαρμογή του SMA και από την αριθμητική προσομοίωση, όσον αφορά την τροχιά αυτοσυγχώνευσης και τις μέσες αξονικές ταχύτητες και μέσες συγκεντρώσεις κατά μήκος της κεντρικής γραμμής του δακτυλιοειδούς πλουμίου, συγκρίνονται με τις πειραματικές μετρήσεις και συμφωνούν αρκετά καλά μεταξύ τους. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια ανάλυση ευαισθησίας σχετικά με τις προβλέψεις του ολοκληρωματικού μοντέλου και συζητούνται ορισμένα πρακτικά θέματα. Από τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας, προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα, τα οποία μπορεί να βοηθήσουν τους επιστήμονες στην καλύτερη κατανόηση του φαινόμενου και να βελτιστοποιήσουν τον σχεδιασμό και την λειτουργία των σχετικών συστημάτων εκροής όταν αυτά λειτουργούν με χαμηλή ορμή ή μηδενική, καθώς το δακτυλιοειδές πλούμιο αποτελεί την οριακή περίπτωση του ισοδύναμου διαχύτη τύπου ροζέτας.