Μετρήσεις συγκέντρωσης σε κατακόρυφη κυκλική φλέβα αρνητικής άνωσης με PLIF

Καπογιάννη, Ελένη; Kapogianni, Eleni

dc.contributor.author	Καπογιάννη, Ελένη	el
dc.contributor.author	Kapogianni, Eleni	en
dc.date.accessioned	2019-05-16T07:11:15Z
dc.date.available	2019-05-16T07:11:15Z
dc.date.issued	2019-05-16
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48732
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8934
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Φλέβες	el
dc.subject	Αρνητικής άνωσης	el
dc.subject	Μέτρησεις συγκέντρωσης	el
dc.subject	Κατακόρυφη κυκλική	el
dc.subject	PLIF	el
dc.subject	Negatively buoyant	en
dc.subject	Concentration measurements	en
dc.title	Μετρήσεις συγκέντρωσης σε κατακόρυφη κυκλική φλέβα αρνητικής άνωσης με PLIF	el
dc.title	Concentration measurements in a vertical, circular, negatively buoyant jet using PLIF technique	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Fluid Mechanics	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-11-20
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετώνται τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και η μέση αραίωση κατακόρυφης ανωστικής φλέβας αρνητικής άνωσης που εκρέει σε ακίνητο και ομογενή αποδέκτη. Το υπό μελέτη πρόβλημα προσομοιώνει τη διάθεση των υγρών αποβλήτων από μονάδες αφαλάτωσης στη θάλασσα. Τα υγρά αυτά απόβλητα ή αλλιώς αλμόλοιπο διαθέτουν πολύ μεγαλύτερη αλατότητα από αυτή του θαλασσινού νερού και διατίθενται στον θαλάσσιο αποδέκτη μέσω των διαχυτήρων. Για τον λόγο αυτό επιδιώκεται η μέγιστη δυνατή αραίωση του διαλύματος. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής πραγματοποιήθηκε πειραματική διερεύνηση ροής ρευστού που εκρεέι κατακόρυφα με φορά προς τα επάνω σε αποδέκτη μικρότερης πυκνότητας. Συνολικά πραγματοποιήθηκαν 54 πειράματα εκ των οποίων τα 28 μελετήθηκαν με την τεχνική Shadowgraph και 26 με την τεχνική PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence). Τα πειράματα διεξήχθησαν σε δεξαμενή με διαστάσεις 1.00m X 0.80m και βάθος 0.70m, ενώ η παροχέτευση της φλέβας έγινε κατακόρυφα από κυκλικό στόμιο διαμέτρου 0.5 cm. Όλα τα πειράματα βιντεοσκοπήθηκαν με χρήση ψηφιακής βιντεοκάμερας. Κατά τη διάχυση μιας τυρβώδους ανωστικής φλέβας αρνητικής άνωσης μέσα σε ομογενή και ακίνητο αποδέκτη, το μέγιστο ύψος στο οποίο θα αναρριχηθεί η φλέβα εξαρτάται από τις αρχικές συνθήκες στην έξοδο. Αρχικά η φλέβα «αναρριχάται» μέχρι το μέγιστο ύψος Ζmax, όπου η αρχική ορμή Μ μηδενίζεται, εξαιτίας της αρνητικής ανωστικής δύναμης που επιδρά στη ροή. Στη συνέχεια, η φλέβα αρχίζει να «αναδιπλώνεται» και το ύψος της μειώνεται σημαντικά. Μάλιστα, λόγω της αντίθετης ροής, η ροή της φλέβας επιβραδύνεται αλλά συνεχίζει να κινείται ανοδικά. Σε σύντομο χρονικό διάστημα, ωστόσο, η φλέβα ταλαντώνεται γύρω από μια συγκεκριμένη θέση, Ζ<Zmax και σταθεροποιείται σε αυτή. Η θέση αυτή στην οποία σταθεροποιείται η ροή, ονομάζεται τερματικό ύψος Ζ. Μέσα από την επεξεργασία του ψηφιακού υλικού μελετώνται το μέγιστο ύψος Ζmax, το τερματικό ύψος Z και η μέση αραίωση κατά μήκος τους άξονα της φλέβας Sc. Το μέγιστο και το τερματικό ύψος εξετάζονται από το σύνολο των πειραμάτων, παρόλο που εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικές μέθοδοι. Πιο συγκεκριμένα, καταστρώθηκε κώδικας και με χρήση του λογισμικού Matlab υπολογίστηκε σε κάθε στιγμιότυπο το τερματικό ύψος Ζ(t) στο οποίο ανέρχεται η φλέβα. Με τον τρόπο αυτό περιγράφεται όλη η κίνηση του ρευστού συναρτήσει του χρόνου. Στη περίπτωση της μεθόδου Shadowgraph η οπίσθια όψη της δεξαμενής, όπου είναι χαραγμένος κάναβος 5 cm X 5 cm προβάλλεται με χρήση προβολέα στην εμπρόσθια όψη της δεξαμενής. Η φλέβα ωστόσο βρίσκεται στο κέντρο της δεξαμενής. Για τον λόγο αυτό δημιουργείται ένας νέος μέσος κάναβος, απ’ όπου και μετριέται το τερματικό ύψος Z. Στην περίπτωση των πειραμάτων που διεξήχθησαν με την τεχνική PLIF δεν είναι ορατοί οι δύο κάναβοι συνεπώς για τη μέτρηση του μέγιστου ύψους και την αντιστοίχισή του από pixels που προκύπτει από τον κώδικα σε πραγματικά cm μετρήθηκε το πάχος του στομίου της φλέβας. Συνεπώς, από την επεξεργασία του συνόλου των πειραμάτων δημιουργήθηκαν τα διαγράμματα του τερματικού ύψους Z συναρτήσει του χρόνου. Στη συνέχεια δημιουργούνται ακόμη τα διαγράμματα των αδιάστατων υψών Ζmax/lM και Ζ/lM συναρτήσει του αριθμού Froude F0, καθώς και το διάγραμμα του αδιάστατου χρόνου όπου εμφανίζεται το μέγιστο ύψος συναρτήσει του αριθμού F0. Από τη διαδικασία αυτή διαπιστώθηκε ότι τερματικό ύψος κυμαίνεται από 1.7 lM εως 2 lM , ενώ το μέγιστο ύψος Zmax εμφανίζεται σχεδόν σε απόσταση 3 lM. Όσον αφορά τα διαγράμματα που διεξήχθησαν με τεχνική PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence) γίνεται ξανά επεξεργασία του ψηφιακού υλικού με χρήση του λογισμικού Matlab από όπου εξάγεται η μέση εικόνα και η τυπική απόκλιση αυτής. Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, η ένταση του χρώματος της ροδαμίνης όταν από αυτή διέρχεται μια ακτίνα laser είναι ανάλογη της έντασης της ακτίνας και της συγκέντρωσης της ροδαμίνης. Με την τεχνική αυτή σε συνδυασμό με τις τεχνικές της επεξεργασίας εικόνας μέσω του Matlab μπορούν να εξάγονται αποτελέσματα για το σύνολο της εικόνας της δεξαμενής. Πιο συγκεκριμένα, υπολογίζονται με χρήση του λογισμικού Matlab η μέση εικόνα και η τυπική της απόκλιση. Από τη μέση εικόνα δημιουργούνται, τα διαγράμματα της αδιάστατης μέσης συγκέντρωσης C/Cm και της έντασης της τύρβης Crms/Cm συναρτήσει της αδιάστατης απόστασης r/z, καθ’ ύψος της φλέβας ανά 5 διαμέτρους από το ακροφύσιο. Στη συνέχεια υπολογίζονται τα διαγράμματα της αδιάστατης μέσης συγκέντρωσης C/Cm και έντασης της τύρβης Crms/Cm για διάφορες αποστάσεις 0.5 lM, 0.75 lM,1 lM,1.25 lM, 1,5 lM και 1.75 lM συναρτήσει της αδιάστατης απόστασης r/z. Από τα διαγράμματα αυτά γίνεται αντιληπτό ότι το εύρος των κατανομών είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό που μετρήθηκε σε φλέβες θετικής άνωσης. Επίσης, όσο απομακρυνόμαστε από το στόμιο της φλέβας, καθώς η ροή μετατρέπεται σε πλούμιο, οι κορυφές που παρουσιάζονται στο διάγραμμα της έντασης της τύρβης ενώνονται και συγχρόνως η τιμή της αυξάνεται. Με τη μέθοδο αυτή ακόμη, γίνεται εφικτός ο υπολογισμός της αδιάστατης μέσης συγκέντρωσης C/C0 και της έντασης της τύρβης Crms/Cm κατά μήκος του άξονα της φλέβας και συγκρίνονται με τις αντίστοιχες καμπύλες που προέκυψαν μετά τον υπολογισμό των χρονικά μέσων τιμών. Τέλος, δημιουργείται το διάγραμμα της μέσης αδιάστατης αραίωσης SclQ/z κατά μήκος του άξονα της φλέβας συναρτήσει της αδιάστατης απόστασης z/lM. Από το διάγραμμα αυτό γίνεται προκύπτει ότι η μέση αραίωση στον άξονα κυμαίνεται από 0.115 έως 0.215. Τα αποτελέσματα προσεγγίζουν ικανοποιητικά αντίστοιχα αποτελέσματα που προέκυψαν έπειτα από μετρήσεις σε θερμαινόμενες φλέβες αρνητικής άνωσης από τους Spetsiotsis & Papanicolaou (2008).	el
heal.abstract	Whendesalination wastewater isdisposed in the sea it may haveenvironmental effecton the fauna and flora of the disposal area,due to theincrease of salinity at the bottom of the sea. For thisreason, achievement of the maximum dilution of the brine from desalination unitswith seawater has been of paramount importance in order to diminish the environmental effects. The dilution can be accomplished be means of turbulent buoyant jets, as they entrain large volumes of ambient fluid and mix it with the wastewater. The desalination brines are disposed through diffusersplaced at the sea bottom. The heavier than ambient brinemovesupwards towardsthe free surface of the sea,and mixes with sea water to produce negatively buoyant jets,which are also called fountains.Thestudy of turbulent, negativelybuoyant jets has been a subject of investigation byseveral researchers in the past. Turner in(1966)was the first to describethe motion of fountains,and showed that there is a crucial difference between jets and plumes and the way the upward motion is generated. The properties of a vertical densejet moving upwards in a calm uniform ambient aregoverned by the initial specific momentum and buoyancy. Experimentshave been conducted afterwards by several investigators such as Αbraham (1967) for the computation of maximum penetration depth. Baines,Turner and Cambell (1989) investigated a jet which was inclined by 7◦ and found that the dilution increased by 40%.Fountain penetration depth measurements were also reported by Zhangand Badour (1998),Pantzlaff and Lueptow(1999),concerningthe dimensionless height Ζmax/lMand the dimensionless time tB/M. The dimensionless maximum penetration depth Zmax/lMand (steady state)terminal depth Z/lMof a vertical fountain were found to be3 and 2 respectivelyin the experimental investigation by Kokkalis and Papanicolaou (2008). Spetsiotis and Papanicolaou (2008) investigated experimentally the properties of turbulence and dilution of heated round turbulence vertical negatively buoyant jets, that discharged downwards into a calm, homogenous ambient. The normalized dilution at the jet axis was found to be between 0.15 and 0.17, when the dimensionless steady state penetration depth Ζ/lM>1. Experimental measurements of both maximum height and dilution at the jet axis have also been conducted by Papakonstantis (2009). Some experiments have also been performed with LIF technique (Laser Induced Fluorescence) and present results concerning the concentration distribution of the flow field. ixIn the present thesis, the maximum and terminal (steady state) height of vertical, turbulent,negatively buoyant jets and the dilutionat the jet flowfield have beeninvestigated experimentally. Visualization of the flow for the study of the geometrical characteristicshas beenperformed with two techniques,the Shadowgraph and PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence) technique, whereas the study of dilution was carried out usingPLIF.A jet of a dense saltwater fluid is injected upwards, into a homogenous, calm ambient of lower density. At the early stages of the flow, the jet mixes with the lighter fluid of the ambient and reaches a maximum height Zmax. Then the jet folds back and oscillates around a lower height Z<Zmax, which is called steady-state,terminal rise height Z.Both the maximum height Zmaxand the terminal, steady-state height Z, depend on initial parameters that characterize the flow:푍=푓(푄,푀,퐵)(1)Where Q: is the specific mass flux (source volume flux)M: is the specific momentumfluxB: is the specific buoyancy fluxThese parameters can be computedas follows:푄=휋퐷24푊(2)푀=푄푊(3)훣=(휌훼−휌0휌0푔)푄=푔0′푄(4)where gis the gravitational acceleration, ρaandροare the ambient and jet fluid densities respectively.Fisher et al.(1979) have proposed two length scales:푙푄=푄√푀(5)푙푀=푀3/4퐵1/2(6)The ratio 푙푄/푙푀is defined to bethe initial buoyant jet Richardson number Ro:푅푖0=푙푄푙푀=푄퐵1/2푀5/4=(휋4)141퐹0(7)Where F0=Uo/(go’D)1/2is the densimetric Froude number.From equations (1), (5), (6) and (7) the dimensionless maximum height is a function of the initial Richardson number R0 x푍푙푄=푓(푅0)or 푍푙훭=푓(푅0)(8)In case the initial specific momentum is larger than the buoyancy B, the volumetricdischarge can be ignored and the former equation becomes:푍푙훭=퐶(9)Where Cis a constant, that doesn’t depend on Richardson number Ro.The same dimensionless arguments can be applied on the maximum height Zmax푍푚푎푥푙푄=푓(푅0)or 훧푚푎푥푙훭=푓(푅0)(10)In case of a jet-like flow the initial specific discharge, Q can be neglected and the ratio Zmax/lMis also a constant.The dilution Sat a vertical distancez from the nozzle is defined by the ratio:푆=퐶0−퐶푎퐶−퐶푎(11)where C0: is the concentration of the salt of the jetCa: is the concentration of the salt of the ambientThe dilution at the jet axis SC=Co/Ccis normalized as푆퐶푙푄푧=퐶0−퐶푎퐶퐶−퐶푎푄푧√푀or 푆퐶퐹0=퐶0−퐶푎퐶퐶−퐶푎1퐹0(12)In the present thesis, the maximum height of turbulent negatively buoyant jets and dilution areinvestigated experimentally with Shadowgraph and PLIF (Planar Induced Fluorescence) techniques. Experimentswere carried out in a 1.00m X 0.80m X0.70mtank filled with tapwater. Jets of dense saltwater were discharged vertically upwards from a round nozzle of 0.5cm diameter. The fountain was made visible with two different techniques: the shadowgraph and the PLIF(Planar Laser Induced Fluorescence)technique. Both techniques were used for the measurementof the maximum andthe terminal steady state height. The PLIF technique was also used for the measurement of concentration of a rhodamine 6G dye.The initial conditions of the two sets of experiments are presented in tables 1 and 2 respectively	en
heal.advisorName	Παπανικολάου, Παναγιώτης	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.committeeMemberName	Νάνου, Αικατερίνη	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	117 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true