Μετρήσεις συγκεντρώσεων στην περιοχή ανάμειξης σε περιορισμένο αποδέκτη, από τυρβώδη ανωστική φλέβα

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως θέμα την πειραματική διερεύνηση ανάμειξης τυρβώδους ανωστικής φλέβας που εκρέει από κυκλική οπή σε περιορισμένο αποδέκτη. Το περιβάλλον ρευστό του αποδέκτη είναι αρχικά ομογενές και ακίνητο. Η φλέβα που εκρέει από την οροφή του αποδέκτη έχει ελαφρώς μεγαλύτερη πυκνότητα από αυτό και κινείται λόγω αρχικής ορμής και ανωστικής δύναμης από το περιβάλλον του. Μόλις η φλέβα φτάσει στον πυθμένα της δεξαμενής διάχυσης αρχίζει και διαχέεται οριζόντια έως τα κατακόρυφα τοιχώματα. Το αποτέλεσμα αυτής της κίνησης είναι η δημιουργία μιας βαρύτερης λεπτής στρώσης στον πυθμένα που με την πάροδο του χρόνου αυξάνει το ύψος της και φτάνει έως την πηγή. Έτσι δημιουργούνται στη δεξαμενή διάχυσης δυο περιοχές, η ανώτερη ομογενής στρώση του αποδέκτη και η κατώτερη πυκνομετρικά στρωματοποιημένη στρώση του αναμεμιγμένου ρευστού φλέβας- αποδέκτη η οποία εκτοπίζει την άνω στρώση καθώς ανεβαίνει η διεπιφάνειά τους. Συνέπεια της διαδικασίας αυτής είναι η δημιουργία διεπιφάνειας η οποία ανέρχεται λόγω ανάμειξης της κάτω περιοχής. Η ταχύτητα ανόδου της διεπιφάνειας καθώς και τα χαρακτηριστικά των δυο περιοχών εξαρτώνται από τις αρχικές συνθήκες του συστήματος φλέβα - αποδέκτη.

Τα πειράματα που εκτελέστηκαν οπτικοποιήθηκαν μέσω ψηφιακής βιντεοκάμερας με παράλληλη χρήση τεχνικών Laser (Laser Induced Fluorescence – LIF). Στο ρευστό της φλέβας προσθέσαμε ροδαμίνη 6G σε χαμηλές συγκεντρώσεις η οποία διεγείρεται από ακτινοβολία Laser και μας δίνει τη δυνατότητα να ξεχωρίζουμε τις δύο διαφορετικές περιοχές της δεξαμενής διάχυσης.

Σκοπός της πειραματικής εργασίας ήταν η μέτρηση συγκεντρώσεων στην περιοχή ανάμειξης. Οι μετρήσεις έγιναν σε κατακόρυφη γραμμή μακριά από τον άξονα της φλέβας από επεξεργασία πειραματικών εικόνων μέσω του λογισμικού NI Vision®. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αποτελέσματα από υπολογιστικό μοντέλο και βρέθηκε ότι υπάρχει μικρή απόκλιση για τις απλές και ανωστικές φλέβες και λίγο μεγαλύτερη για τα πλούμια. Παράλληλα με τη συγκέντρωση μελετήθηκε η χρονική μεταβολή της θέσης της διεπιφάνειας η οποία συγκρίθηκε με υπολογιστικά αποτελέσματα από τη γενικευμένη θεωρία List & Imberger (1973). Οι πειραματικές τιμές βρίσκονται αρκετά κοντά στις υπολογιστικές και σχεδόν ταυτίζονται με την εφαρμογή του νοητού κέντρου (virtual origin) της φλέβας στις πειραματικές μετρήσεις.

Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο Εφαρμοσμένης Υδραυλικής και κάλυπταν όλο το εύρος του αρχικού αριθμού Richardson, από Ri→0 για απλές φλέβες έως Ri→R_p για πλούμια.

The current thesis focuses on the experimental investigation of the turbulent buoyant jet mixing process when injected through a circular nozzle into a confined ambient fluid. The ambient fluid inside the tank is initially homogeneous and stagnant. The jet fluid is injected through a nozzle located at the top of the tank and has a slightly larger density than the ambient fluid. The jet moves vertically downwards driven by its initial momentum and buoyancy forces. Once the jet reaches the bottom of the tank, it diffuses horizontally up to the side walls of it. A heavier thin layer is then created at the bottom of the tank, the thickness of which increases until it reaches the jet nozzle. Two separate layers of fluid are distinguished, the upper homogeneous ambient fluid and the lower density-stratified one (the stratification is due to the jet mixing process) that continuously displaces the upper layer. Thus, an interface separating the two layers is present. The rising speed of the interface as well as other parameters of the two layers depend mostly on the initial conditions of the jet – ambient system.

The experiments performed were visualized using the LIF (Laser Induced Fluorescence) technique. Rhodamine 6G dye added at low concentrations into the jet fluid was used as a tracer to separate the mixed layer from ambient fluid, as it fluoresces at around 560 nm when excited by green laser radiation at 532 nm.

Aim of the thesis was the measurement of concentration in the mixed region. The measurements were performed along a vertical line far from the jet axis. The NI Vision® software was used for image recording and subsequent processing. The experimental data have been compared to numerical modeling data. The comparison showed a small divergence for the cases of jets and buoyant jets and a slightly larger one for plumes. Besides the concentration measurements, we analyzed the time-depended elevation of the interface and compared it with that estimated using the theory of List & Imberger (1973). The experimental measurements were found to be near the theoretical ones. They were almost identical when virtual origin adjustment is applied to the experimental data.

The experiments were performed at the Applied Hydraulics laboratory of the National Technical University of Athens and cover the entire range of source Richardson numbers, from jet-like flow (Ri0) to plume-like flow (RiRp).