Φυσική συναγωγή λόγω επιφανειακής θέρμανσης και ψύξης σε υδάτινα σώματα με περιοχές βλάστησης
Creators: name: Παπαϊωάννου, Βασίλειος Χρ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Φυσική συναγωγή
Επιφανειακή θέρμανση
Επιφανειακή ψύξη
Βλάστηση
Natural convection
Surface heating
Surface cooling
Vegetation

description: Το αντικείμενο της έρευνας της διδακτορικής διατριβής αφορά τη μελέτη της φυσικής συναγωγής, λόγω επιφανειακής θέρμανσης ή/και ψύξης σε υδάτινα σώματα με περιοχές βλάστησης, μέσω ενός υπολογιστικού μοντέλου. Στη φύση ρεύματα συναγωγής μπορούν να δημιουργηθούν λόγω του μεταβαλλόμενου βάθους του υδάτινου σώματος ή/και της ύπαρξης υδρόβιας βλάστησης σε κάποιο μέρος του. Η παρουσία υδρόβιας βλάστησης είναι ένα κοινό χαρακτηριστικό στα συστήματα ρηχών υδάτων. Μεταβάλλει τη δυναμική του συστήματος παράγοντας πρόσθετη δύναμη αντίστασης και δημιουργώντας διαφορική θέρμανση ή/και ψύξη μεταξύ περιοχών με και χωρίς βλάστηση, μέσω της σκίασης που παρέχει. Η ρηχή περιοχή των υδάτινων σωμάτων επηρεάζεται πιο γρήγορα από την ηλιακή ακτινοβολία (θέρμανση) ή τη νυχτερινή ψύξη, από ότι αυτή με μεγαλύτερο βάθος, με αποτέλεσμα τη δημιουργία διαφοράς θερμοκρασίας στην οριζόντια διεύθυνση και την εμφάνιση ρευμάτων συναγωγής. Στην υπολογιστική προσομοίωση του φαινομένου, η επίδραση της υδρόβιας βλάστησης στη κίνηση των ρευμάτων συναγωγής λαμβάνεται υπόψη με τη προσθήκη ενός επιπλέον όρου στις εξισώσεις ορμής. Ο όρος περιγράφει τη δύναμη αντίστασης της υδρόβιας βλάστησης και περιλαμβάνει γνωστές μεταβλητές που χαρακτηρίζουν τη βλάστηση, όπως το πορώδες της βλάστησης, η εσωτερική διαπερατότητα και μία αδιάστατη μεταβλητή που σχετίζεται με το είδος, το σχήμα και το μέγεθος της βλάστησης. Εξετάζεται η επιφανειακή θέρμανση του υδάτινου σώματος λόγω ηλιακής ακτινοβολίας και προσομοιώνεται με δύο διαφορετικούς τρόπους. Ο πρώτος βασίζεται στο νόμο απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας του Beer και ο δεύτερος μέσω του μοντέλου μετάδοσης της έντασης της ακτινοβολίας. Η επιφανειακή ψύξη λαμβάνεται ως οριακή συνθήκη στην ελεύθερη επιφάνεια του υδάτινου σώματος, υπό μορφή ροής θερμότητας. Τέλος, περιγράφεται και ο ημερήσιος κύκλος θέρμανσης/ψύξης του υδάτινου σώματος. Στη περίπτωση αυτή και κατά την διάρκεια της ημερήσιας θέρμανσης και νυχτερινής ψύξης, η επιφανειακή φόρτιση είναι μία ημιτονοειδής συνάρτηση του χρόνου. Αρχικά μελετήθηκε η οριζόντια συναγωγή για ΥΣ με οριζόντιο πυθμένα σταθερού βάθους. Το υδάτινο σώμα περιλαμβάνει δύο περιοχές, μία με βλάστηση και μία χωρίς. Η βλάστηση θεωρήθηκε επιπλέουσα μηδενικού πάχους και μικρού πάχους με ορισμένο πορώδες. Στη συνέχεια, η βλάστηση θεωρήθηκε αναδυόμενη με τα ίδια πορώδη. Η περιοχή χωρίς βλάστηση απορροφά εξ ολοκλήρου την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία, ενώ η περιοχή με βλάστηση εμποδίζει πλήρως τη διείσδυση της ηλιακής ακτινοβολίας. Στη συνέχεια μελετήθηκε η φυσική συναγωγή σε υδάτινο σώμα, που περιλαμβάνει μία περιοχή με κεκλιμένο πυθμένα και μία με οριζόντιο πυθμένα, που δημιουργείται λόγω της επιφανειακής θέρμανσης από ηλιακή ακτινοβολία, της επιφανειακής ψύξης και της περιοδικής επιφανειακής θέρμανσης και ψύξης. Αρχικά το υδάτινο σώμα θεωρείται χωρίς βλάστηση και στη συνέχεια η βλάστηση θεωρείται αναδυόμενη με μεσαίο πορώδες, καλύπτοντας είτε ολόκληρη είτε τη μισή κεκλιμένη περιοχή.
description: The subject of the PhD thesis research concerns the numerical investigation of natural convection, due to surface heating and / or cooling in water bodies with vegetated areas. In nature, convective currents can occur due to the variable depth of the water body such as lake, reservoir, coastal area and/or the presence of aquatic vegetation in a part of it. The presence of aquatic vegetation is a common feature in shallow water systems. It alters the dynamics of the system by producing additional resistance force and creating differential heating and/or cooling between areas with and without vegetation, through the shading it provides. The shallow area of water body is affected faster by solar radiation (heating) or night cooling than the deep one, resulting in a temperature difference in the horizontal direction and the occurrence of convective currents. Using a numerical simulation of the phenomenon, the effect of aquatic vegetation on the motion of convective currents is taken into account by adding an additional term to the momentum equations. The term describes the resistance strength of aquatic vegetation and includes known variables that characterize vegetation, such as vegetation porosity, intrinsic permeability and a dimensionless variable related to vegetation species, shape and size. The surface heating of the water body due to solar radiation is examined and simulated by two different approaches. The first is based on Beer's law of absorption of solar radiation and the second through the solution of Radiative Transfer Equation. Surface cooling is taken into account as a boundary condition on the free surface of the water body in the form of a negative heat flux. Finally, the daily heating/cooling cycle of the water body is described. In this case and during daytime heating and night cooling, surface forcing is a sinusoidal function of time. Initially, horizontal convection for a water body with a horizontal bottom of fixed depth was studied. The water body includes two areas, one with vegetation and one without. The vegetation was considered floating with zero thickness and with small thickness of specified porosities. Subsequently, emergent vegetation was considered with the same porosities. The area without vegetation absorbs entirely the incoming solar radiation, while the area with vegetation completely prevents the penetration of solar radiation. Subsequently, the natural convection in a water body, which includes a region with an inclined bottom and one with a horizontal bottom, was investigated. The natural convection is due to surface heating by solar radiation, surface cooling and periodic surface heating and cooling. Initially, the water body is considered without vegetation and then the emergent vegetation is considered with middle porosity, covering either the whole or the half of the sloping region.