Πειραματική Διερεύνηση της Επίδρασης Οριζόντιου Στερεού Ορίου σε Κατακόρυφες Τυρβώδεις Κυκλικές Φλέβες Θετικής Άνωσης

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται πειραματικά η επίδραση οριζόντιου στερεού ορίου σε κατακόρυφες τυρβώδεις κυκλικές φλέβες θετικής άνωσης που εκφορτίζονται σε ακίνητο και ομογενή αποδέκτη. Πραγματοποιήθηκαν συνολικά 12 πειράματα σε τέσσερις διαδοχικές φάσεις. Σε κάθε φάση προσεγγιζόταν μία ορισμένη τιμή του αρχικού πυκνομετρικού αριθμού Froude (Fo≈23, 17, 3.5 και 11). Όλα τα πειράματα έλαβαν χώρα σε πειραματική δεξαμενή, στον πυθμένα της οποίας τοποθετήθηκε ορθογωνικό τεμάχιο από plexiglas που χρησιμοποιήθηκε ως στερεό όριο. Κυκλικά ακροφύσια διαμέτρων Do=0.8, 1.0 και 1.6 cm χρησιμοποιήθηκαν για την εκτόξευση της φλέβας κατακόρυφα από την επιφάνεια προς τον πυθμένα. Η δεξαμενή πληρωνόταν με νερό βρύσης ενώ η φλέβα ήταν μείγμα αλατόνερου πυκνότητας 1.9-5.5% υψηλότερης από του αποδέκτη. Οι πυκνότητες τόσο του μείγματος αλατόνερου (ρο) όσο και του νερού της δεξαμενής (ρα<ρο) υπολογίστηκαν μέσω της αλατότητάς τους (ppt) και της θερμοκρασίας τους (°C) με τη βοήθεια ενός φορητού οργάνου. Αυτές οι πυκνότητες προσέγγιζαν ικανοποιητικά τις αντίστοιχες που πάρθηκαν ζυγίζοντας δείγμα γνωστού όγκου που περιεχόταν σε βαθμονομημένο κύλινδρο. Η παροχή της φλέβας προσδιοριζόταν μέσω ενός μετρητή Venturi συνδεδεμένου με διαφορικό μανόμετρο και ενός ογκομετρικού κυλίνδρου. Οι μετρήσεις συγκέντρωσης (αλατότητας) πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση αναλογικού αγωγιμομέτρου. Σε κάθε φάση πειραμάτων λαμβάνονταν μετρήσεις αλατότητας τόσο στον άξονα της φλέβας όσο και εγκάρσια σ’ αυτόν. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η παρουσία του στερεού ορίου επηρρεάζει την αξονική διάλυση της φλέβας σε ένα ύψος hD από το στερεό όριο, το οποίο συσχετίζεται γραμμικά με την απόσταση από την πηγή σε αδιάστατους όρους (κλίμακα μήκους lM). Η διάλυση στο σημείο πρόσκρουσης με το στερεό όριο εμφανίζεται σημαντικά μειωμένη σε σχέση με αυτήν που αφορά ελεύθερα εξελισσόμενη φλέβα στην ίδια θέση. Επίσης, προτείνονται αδιαστατοποιημένες εμπειρικές σχέσεις προσδιορισμού του ύψους hD και της διάλυσης στο σημείο πρόσκρουσης. Η παρουσία του στερεού ορίου φαίνεται επίσης ότι διαταράσσει τις εγκάρσιες κατανομές συγκεντρώσεων. Η διαταραχή αυτή εκδηλώνεται με σημαντικές αποκλίσεις από τις κατανομές Gauss καθώς προσεγγίζεται ο οριζόντιος πυθμένας. Όταν η φλέβα προσκρούει στο στερεό όριο δημιουργείται ρεύμα πυκνότητας, το οποίο μετακινείται οριζόντια απομακρυνόμενο από το σημείο πρόσκρουσης. Εκτιμάται η απόσταση από τον άξονα της φλέβας, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως αρχή του ρεύματος πυκνότητας, καθώς και το πάχος αυτού τόσο σε απόλυτους όσο και σε αδιάστατους όρους (κλίμακα lM) για τις περιπτώσεις Fo≈3.5 και 11.

In the present diploma thesis, the effect of horizontal solid boundary to vertical turbulent round positively buoyant jets, which are discharged into stagnant and homogeneous ambient, is investigated. Twelve experiments were performed in four sequential stages. In each stage a specific value of the initial densimetric Froude number was approximated (Fo≈23, 17, 3.5 and 11). All experiments were conducted in an experimental tank. A rectangular perspex false bottom, which was used as solid boundary, was introduced above the tank bottom. Round pipes of diameter Do=0.8, 1.0 and 1.6 cm, were used to discharge the jet vertically downwards. The tank was initially filled up with tap water and the jet effluent was salt water solution of density 1.9-5.5% higher than the ambient. The densities of salt water solution (ρο) and the tank water (ρα<ρο) were calculated from their salinity (ppt) and temperature (°C) measured by a portable instrument. These densities were generally in good agreement with the densities measured by weighting a known volume of sample contained in a calibrated flask. The flow rate of the salt water effluent was measured by means of a Venturi meter combined with a differential manometer and a volumetric cylinder. Concentration measurements concerning salinity were performed by using an analog conductivity meter. In each experimental stage, salinity measurements were taken on the jet axis and transversely to it as well. The experimental results showed that the presence of the solid boundary affects the axial dilution of the approaching jet up to a distance of hD which is well correlated to the source height and the length scale lM. The dilution at the impingement point on the boundary is reduced appreciably compared to that of a boundary-free jet at the same location. Dimensionless empirical equations are proposed for the distance hD and the dilution at the impingement point, in terms of geometrical parameters and the Fo. The presence of the solid boundary also seems to distort the jet cross-sectional distribution. This distortion is manifested by significant deviations from the far-field Gaussian similarity profiles as the solid boundary is approached. When the jet impinges on the solid boundary a density current is created, which moves horizontally away from the impact point. The distance from the jet axis, where the density current is formed and its thickness are estimated both in absolute and dimensionless terms (length scale lM), for cases Fo≈3.5 and 11.