Υπολογιστική προσομοίωση ρευμάτων πυκνότητας υπό την επίδραση υδρόβιας βλάστησης
Creators: name: Τσακίρη, Μαρία Γ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Ρεύματα πυκνότητας
Ρεύματα φυσικής συναγωγής
Υδρόβια βλάστηση
Πορώδες
Density currents
Convective currents
Vegetated flows
Porosity

description: Στη διατριβή αυτή μελετήθηκε, με αριθμητικά μοντέλα, η επίδραση της υδρόβιας βλάστησης σε ρεύματα που δημιουργούνται σε μια δεξαμενή σταθερού βάθους, α) λόγω διαφορετικής πυκνότητας νερού μεταξύ δυο περιοχών της, β) λόγω διαφορετικής απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας μεταξύ δυο περιοχών της και γ) λόγω διαφορετικής επιφανειακής θερμοκρασίας μεταξύ δυο περιοχών της. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκαν ρεύματα που δημιουργούνται λόγω διαφοράς πυκνότητας του νερού μεταξύ μιας περιοχής με αναδυόμενη βλάστηση και μιας περιοχής χωρίς βλάστηση αλλά και ρεύματα πυκνότητας εξ’ ολοκλήρου μέσα σε αναδυόμενη βλάστηση. Η αριθμητική προσομοίωση των ρευμάτων γίνεται με ένα διδιάστατο μακροσκοπικό μοντέλο το οποίο χρησιμοποιεί τις εξισώσεις Volume-Averaged Reynolds-Averaged Navier-Stokes, σε συνδυασμό με τις Volume-Averaged εξισώσεις μεταφοράς του τυρβώδους μοντέλου renormalization group k-ε. Η βλάστηση προσομοιώνεται με βάση την θεωρία ροής μέσα σε μια συστάδα από στοιχεία. Στο αριθμητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε δόθηκε έμφαση α) στην επίδραση της πυκνής βλάστησης στα ρεύματα πυκνότητας (πορώδες μικρότερο από 0.859) και β) στον υπολογισμό του συντελεστή αντίστασης της βλάστησης. Ο συντελεστής αντίστασης καθορίζεται κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, σε συνάρτηση με τον τοπικό αριθμό Reynolds της βλάστησης και μεταβάλλεται χωρικά και χρονικά. Το πορώδες της βλάστησης κυμαίνεται από 0.65 έως 0.97. Μελετήθηκαν επίσης ρεύματα πυκνότητας μεταξύ μιας περιοχής με επιπλέουσα βλάστηση και μιας περιοχής χωρίς βλάστηση. Το αριθμητικό μοντέλο επιλύει τις εξισώσεις Volume-Averaged Navier-Stokes (VANS). Η βλάστηση προσομοιώθηκε με βάση τη θεωρία ροής μέσα σε μια συστάδα από στοιχεία. Εξετάστηκαν περιπτώσεις με λόγο ύψους επιπλέουσας βλάστησης προς βάθος νερού 0.13, 0.27 και 0.40 και με πορώδες βλάστησης από 0.65 έως 0.95 καθώς και μια περίπτωση με πορώδες 0.0. Διερευνήθηκαν ακόμη ρεύματα φυσικής συναγωγής σε μια δεξαμενή σταθερού βάθους, η οποία περιλαμβάνει μια περιοχή χωρίς βλάστηση και μια περιοχή με βλάστηση, λόγω διαφορετικής απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας από το νερό των δυο περιοχών. Η περιοχή της βλάστησης δεν θερμαίνεται, ενώ η περιοχή χωρίς βλάστηση θερμαίνεται λόγω της απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Τα ρεύματα αυτά μελετήθηκαν με δύο διαφορετικά αριθμητικά μοντέλα. Το πρώτο μοντέλο είναι ένα τριδιάστατο μικροσκοπικό μοντέλο που χρησιμοποιεί τις εξισώσεις Navier-Stokes σε συνδυασμό με την εξίσωση ενέργειας. Σ’ αυτό το μοντέλο η βλάστηση θεωρείται μια συστοιχία με άκαμπτους κυλίνδρους. Το δεύτερο μοντέλο είναι ένα διδιάστατο μακροσκοπικό μοντέλο που χρησιμοποιεί τις εξισώσεις VANS σε συνδυασμό με την εξίσωση ενέργειας. Σ’ αυτό το μοντέλο η βλάστηση προσομοιώνεται με βάση την θεωρία ροής σε πορώδες μέσο. Μελετήθηκαν περιπτώσεις με πορώδες βλάστησης από 0.75 μέχρι 1.0. Με το μακροσκοπικό μοντέλο μελετήθηκαν ακόμη περιπτώσεις με διαφορετικούς αριθμούς Grashof (2.44x106 – 3.88x107). Τέλος διερευνήθηκαν ρεύματα φυσικής συναγωγής σε δεξαμενή σταθερού βάθους με μια περιοχή με βλάστηση και μια περιοχή χωρίς βλάστηση, λόγω περιοδικά μεταβαλλόμενης θερμοκρασίας στην ελεύθερη επιφάνεια της περιοχής χωρίς βλάστηση. Η αριθμητική προσομοίωση γίνεται με ένα μακροσκοπικό μοντέλο που χρησιμοποιεί τις εξισώσεις VANS σε συνδυασμό με την εξίσωση ενέργειας. Μελετήθηκαν περιπτώσεις με διαφορετικό πορώδες βλάστησης από 0.85 μέχρι 1.0. Από τα αριθμητικά μοντέλα προέκυψαν συμπεράσματα για τα χαρακτηριστικά της ροής και την επίδραση των χαρακτηριστικών της βλάστησης σε αυτή. Προέκυψαν επίσης εμπειρικές σχέσεις για την ταχύτητα, το ύψος και την παροχή των ρευμάτων.
description: In the present thesis the effect of aquatic vegetation on lock-exchange flows is investigated numerically. Three cases of lock-exchange flows are studied: a) density currents in a fully vegetated tank and in a partly vegetated tank, b) convective currents in a partly vegetated tank due to different radiation absorption and c) periodically forced convective currents between open water and aquatic canopies. Particularly, lock-exchange flows through rigid emergent vegetation are investigated. The flow is created in a reservoir consisted of two regions, with different water densities. The simulation has the following features: (a) the unsteady VARANS equations are solved together with the transport equations of the RNG k-ε turbulence model, (b) emergent vegetation is present either in both regions or in one of them, (c) the drag coefficient is determined, during the simulation and varies in time and space, (d) cases with vegetation porosity lower than 0.859 are examined. The vegetation effects, which are based on canopy theory, are taken into account through additional resistance terms in the equations. Moreover, density currents propagating in a tank with floating vegetation are investigated. The tank consists of a region with floating vegetation and a region without vegetation. The open water density is lower than the water density in the vegetated region. The unsteady VANS equations are used. The effect of vegetation is based on canopy theory and is taken into account through additional resistance terms in the equations. Cases with different vegetation height to tank height ratio (0.13, 0.27 and 0.50) and different porosity (0.65 – 0.95 and 0.0) are studied. Convective currents between open water and aquatic canopies are also investigated. These currents are produced due to differential radiation absorption between two regions of a tank. The water in the vegetated region does not absorb any solar radiation, while the open water does. Two different models are applied for investigating these currents. The first one is a microscopic model which solves the Navier-Stokes equations. In this model, the vegetation is simulated by rigid cylinders. The unsteady VANS equations are used in the second model. The vegetation effects are taken into account through additional resistance terms using the porous media approach. Cases with vegetation porosity from 0.75 to 1.0 are examined. The energy equation is also solved in both models. Cases with different Grashof number (2.44x106 – 3.88x107) are also examined. Finally, periodically forced convective currents between open water and emergent vegetation are investigated. The surface of the open water is imposed to periodically varying temperature, while the water in the vegetated region is not affected by the temperature difference of the air. The unsteady VANS equations are solved together with the energy equation. The vegetation effects are taken into account through additional terms which are based on the porous media theory. Three cases with different porosity are studied (0.85 – 1.0). Numerical results for the current velocity, the water temperature and the flow rate are presented. Empirical relations are also extracted for estimating the basic characteristics of the currents for different vegetation and radiation characteristics.