Mοντελοποίηση κεκλιμένων τυρβωδών φλεβών αρνητικής άνωσης

Μάντσης, Θανάσης; Mantsis, Thanasis

dc.contributor.author	Μάντσης, Θανάσης	el
dc.contributor.author	Mantsis, Thanasis	en
dc.date.accessioned	2020-12-16T06:30:32Z
dc.date.available	2020-12-16T06:30:32Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52542
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20240
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 αρνητικής άνωσης	el
dc.subject	Αφαλάτωση	el
dc.subject	Κυκλικές φλέβες	el
dc.subject	Διδιάστατες φλέβες	el
dc.subject	Negatively buoyant jets	en
dc.subject	Round jets	en
dc.subject	Plane jets	en
dc.subject	Desalination	en
dc.subject	Brine effluents	en
dc.subject	Αλμόλοιπο	el
dc.title	Mοντελοποίηση κεκλιμένων τυρβωδών φλεβών αρνητικής άνωσης	el
dc.title	Modeling of inclined turbulent negatively buoyant jets	en
dc.contributor.department	Υδατικών Πόρων & Περιβάλλοντος	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική υδραυλική	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-11-06
heal.abstract	Η μελέτη ροής φλεβών αρνητικής άνωσης έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, ειδικά τα τελευταία χρόνια. Τέτοιες ροές συναντώνται στην πράξη κατά την διάθεση προς τα πάνω υγρών αποβλήτων βαρύτερων από το υγρό του αποδέκτη στον οποίο καταλήγουν, όπως είναι τα υγρά απόβλητα από μονάδες αφαλάτωσης (αλμόλοιπο). Ο όγκος τέτοιου είδους υγρών αποβλήτων έχει αυξητική τάση, με αποτέλεσμα να είναι σκόπιμη η διάθεσή τους, με τέτοιο τρόπο ώστε να μειώνονται οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Το αλμόλοιπο διατίθεται στη θάλασσα και παροχετεύεται από τον πυθμένα προς την ελεύθερη επιφάνεια μέσω απλού κυκλικού στομίου ή διαχυτήρα που αποτελείται από πολλά κυκλικά στόμια. Η φλέβα έχει αρχικά ανοδική τροχιά, φτάνει σε ένα μέγιστο τερματικό ύψος και στην συνέχεια κατέρχεται και προσκρούει στον πυθμένα σε κάποια απόσταση από την εκροή. Η παροχέτευση γίνεται υπό γωνία, με σκοπό την επίτευξη μεγαλύτερης τροχιάς και κατά συνέπεια μεγαλύτερης αραίωσης. Έτσι η επίπτωση στο θαλάσσιο περιβάλλον είναι μικρότερη δεδομένου ότι το αλμόλοιπο έχει περίπου διπλάσια αλατότητα από τη θάλασσα. Οι ροές που σχηματίζονται λέγονται κεκλιμένες φλέβες αρνητικής άνωσης (η συνισταμένη άνωσης και βάρους αντιτίθεται στην κατακόρυφη συνιστώσα της ορμής). Ανάλογα με την γεωμετρία του στομίου παροχέτευσης της φλέβας, αυτές διαχωρίζονται σε κυκλικές (κυκλικό στόμιο) και διδιάστατες (στόμιο μορφής σχισμής). Οι εκροές πολλών κυκλικών στομίων σε σειρά (διαχυτήρας) ενώνονται σε μία ενιαία ροή, μικρού πάχους σε σχέση με το μήκος της η οποία επίσης προσομοιάζει ροή που εκρέει από στόμιο μορφής σχισμής. Από την βιβλιογραφική ανασκόπηση που πραγματοποιείται, προκύπτει ότι ενώ υπάρχουν πολλές πειραματικές μελέτες κυκλικών φλεβών, οι πειραματικές μελέτες διδιάστατων φλεβών είναι πολύ περιορισμένες και σε κάποιες περιπτώσεις παρουσιάζουν μεταξύ τους ασυμφωνίες. Η ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων ή αναλυτικών λύσεων με σκοπό την προσομοίωση της ροής κεκλιμένων φλεβών αρνητικής άνωσης συναντάται κυρίως στην περίπτωση των κυκλικών φλεβών, ενώ για τις διδιάστατες φλέβες τα μοντέλα είναι πιο περιορισμένα. Παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά που περιγράφουν την ροή φλεβών και αφορούν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της τροχιάς που διαγράφει η φλέβα καθώς και την αραίωση που επιτυγχάνεται σε χαρακτηριστικές θέσεις της τροχιάς αυτής, όπως το τερματικό ύψος ανόδου και η περιοχή επιστροφής στο επίπεδο παροχέτευσης. Συνοψίζονται σχέσεις αδιαστατοποίησης των χαρακτηριστικών αυτών που έχουν προκύψει από τη διαστατική ανάλυση. Παρουσιάζονται ένα ολοκληρωματικό μοντέλο (integral model) και αναλυτικές λύσεις από προηγούμενες εργασίες για τη μοντελοποίηση της ροής κεκλιμένων κυκλικών φλεβών σε ακίνητο ομογενή αποδέκτη. Επιπλέον παρουσιάζεται ένα νέο ολοκληρωματικό μοντέλο για τη μοντελοποίηση της ροής διδιάστατων φλεβών σε ακίνητο ομογενή αποδέκτη που θεωρεί κατανομές ταχύτητας και συγκέντρωσης Gauss. Τα ολοκληρωματικά μοντέλα καταστρώνονται σε περιβάλλον MATLAB. Στην συνέχεια γίνεται εφαρμογή των παραπάνω μοντέλων για την περίπτωση κυκλικών και διδιάστατων κεκλιμένων φλεβών αρνητικής άνωσης που παροχετεύονται σε ακίνητο ομογενή αποδέκτη. Για τις κυκλικές φλέβες εξετάστηκαν οι γωνίες παροχέτευσης 30ο, 45ο, 60ο, 75ο, 80ο, 85ο, και 90ο, ενώ για τις διδιάστατες φλέβες εξετάστηκαν οι γωνίες παροχέτευσης 15ο, 30ο, 45ο, 50ο, 60ο, 75ο, 80ο, 85ο και 90ο. Κατά την αριθμητική επίλυση έγιναν διάφορες θεωρήσεις (σενάρια) σχετικά με την σχέση υπολογισμού του συντελεστή συμπαράσυρσης που χρησιμοποιείται στα ολοκληρωματικά μοντέλα. Οι προβλέψεις που προέκυψαν για τα διάφορα σενάρια επίλυσης συγκρίνονται διαγραμματικά σε αδιάστατη μορφή με πειραματικά αποτελέσματα προηγούμενων εργασιών, με σκοπό την αξιολόγησή τους. Έτσι εξάγονται τα κύρια συμπεράσματα και αναδεικνύονται τα σενάρια επίλυσης που προσεγγίζουν με μικρότερη απόκλιση τα πειραματικά δεδομένα για την περίπτωση κυκλικών και διδιάστατων φλεβών. Για κυκλικές φλέβες, προέκυψε ότι για χρήση μειωμένου συντελεστή συμπαράσυρσης, οι προβλέψεις του μοντέλου προσεγγίζουν ικανοποιητικά τα πειραματικά δεδομένα. Για διδιάστατες φλέβες και χρήση σταθερού συντελεστή συμπαράσυρσης το μοντέλο προβλέπει ικανοποιητικά τα περισσότερα χαρακτηριστικά της φλέβας, ωστόσο για γωνίες άνω των 45ο το τερματικό ύψος υπερεκτιμάται και η αραίωση στη θέση επιστροφής υποεκτιμάται, ακόμα και από την μέση στη διατομή αραίωση. Τα περιορισμένα πειραματικά δεδομένα ωστόσο δυσχεραίνουν την αξιολόγηση των προβλέψεων του μοντέλου.	el
heal.abstract	The research of inclined negatively buoyant jets is of particular interest, notably in recent years. Such jets are practically related to the disposal of liquid effluents that are denser than the ambient fluid. Such is the case of brine effluents from desalination plants. The increasing volume of desalination effluents makes crucial the disposal in a way that minimizes the environmental impact. Τhe brine usually ends up into the seawater where it is discharged upwards from the seafloor towards the free surface through single ports or through diffusers of several round ports. Αt steady state, the brine jet rises up to a terminal height and then it flows downwards and impacts on the bottom at a distance from the source. The jet is discharged at an angle to the horizontal in order to elongate the trajectory and thus achieving higher dilution rates. On the basis of the nozzle geometry of the diffuser, buoyant jets are distinguished between round and plane jets. Τhe jets discharged through a multiport diffuser of round nozzles merge and form a flow which resembles that of a planar two-dimensional flow. From the literature review on inclined negatively buoyant jets, it was obtained that a large number of experimental studies has been conducted for round jets, whereas experimental studies regarding plane jets are very limited and present discrepancies. Also, the development of integral models and analytical solutions for the flow of inclined negatively buoyant jets concerns mostly round jets, whereas few models have been developed for the case of plane jets. The principal characteristics that describe the flow of buoyant jets are presented. These are the geometrical characteristics and the dilution at specific locations of the jet trajectory, i.e. the terminal height of rise and the return region of the flow. Equations obtained from dimensional analysis, for the normalization of the principal characteristics, are summarized. An integral model and analytical solutions from previous studies are presented for the modelling of inclined round negatively buoyant jets in a stagnant homogeneous ambient. Furthermore, a new model was developed in this thesis regarding the modelling of inclined plane negatively buoyant jets in a stagnant homogeneous ambient, based on Gaussian distributions for velocity and concentration. The models described above are applied in round or plane inclined negatively buoyant jets discharged in a homogenous stationary ambient. For the case of round jets the discharge angles of 30ο, 45ο, 60ο, 75ο, 80ο, 85ο and 90ο were studied, whereas for the plane jet the angles of 15ο, 30ο, 45ο, 50ο, 60ο, 75ο, 80ο, 85ο and 90ο were considered. Several scenarios were examined for the entrainment coefficient which is used in the integral models. The model results for the scenarios considered were compared with experimental results of previous studies in dimensionless graphs. Finally, the evaluation of the model predictions led to the main conclusions of this thesis and highlighted the scenarios which provide the best predictions compared to the experimental data for round and plane negatively buoyant jets. For the case of round jets, when a reduced value of the entrainment coefficient is used, the predictions of the model approximate satisfactorily the measured values of previous studies. For the case of plane jets, the use of a fixed entrainment coefficient led to predictions that agree well with the measured values of previous studies, for the majority of the jet characteristics, though for angles greater than 45o the terminal height of rise is overestimated and the dilution at the return point is underestimated. Ηowever, the limited availability of experimental data for plane jets makes difficult the evaluation of the model predictions.	en
heal.advisorName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.advisorName	Papakonstantis, Ilias	en
heal.committeeMemberName	Παπανικολάου, Παναγιώτης	el
heal.committeeMemberName	Ευστρατιάδης, Ανδρέας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	106 p.	en
heal.fullTextAvailability	false