Πειραματική διερεύνηση φαινομένου διπλής διάχυσης και επακόλουθης συναγωγής

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται πειραματικά το φαινόμενο της διπλής διάχυσης και της επακόλουθης συναγωγής (Double-Diffusive Convection). Αναλυτικότερα, η ύπαρξη δύο παραγόντων που επηρεάζουν την πυκνότητα συστήματος υγρών σε συνδυασμό με την διαφορετική ταχύτητα μοριακής διάχυσης αυτών, δύναται να προκαλέσει ροές σε βαρυτικά ευσταθές σύστημα. Η αστάθεια αυτή εκδηλώνεται με δομές που ομοιάζουν με δάκτυλα τα αποκαλούμενα στην διεθνή βιβλιογραφία ως Salt Fingers ή Fingers. Εν προκειμένω, εξετάσθηκε το φαινόμενο χρησιμοποιώντας συνδυασμούς διαλυμάτων αλατόνερου και ζαχαρόνερου. Η οπτικοποίηση του φαινομένου έγινε με την εφαρμογή της τεχνικής LIF (Laser-Induced Fluorescence) και με χρήση ροδαμίνης 6G (R6G). Με σκοπό την διεξοδική ανάλυση του φαινομένου εκτελέσθηκαν τρείς τύποι πειραμάτων και συνολικά 30 μετρήσιμα πειράματα. Στον πρώτο τύπο πειραμάτων το φαινόμενο εξελίσσεται σε σύστημα δύο στρώσεων (‘’The Two Layer System’’). Η άνω και ελαφρύτερη στρώση είναι διάλυμα ζαχαρόνερου και η κάτω στρώση διάλυμα αλατόνερου. Τα πάχη (L) των Salt Fingers κυμάνθηκαν περί το 1 mm και η περιοχή ανάπτυξης του φαινομένου περί την διαχωριστική επιφάνεια (h) των δύο στρώσεων κυμάνθηκε από 5 έως 35 mm για χρόνους παρακολούθησης του φαινομένου στα 180 min. Επίσης, παρατηρήθηκε ότι οι ανοδικές και καθοδικές ροές σε αυτό το διάστημα εξελίσσονται ασύμμετρα. Στο δεύτερο τύπο πειραμάτων το φαινόμενο εξελίσσεται με την διάχυση συστατικού σε γραμμική πυκνομετρική στρωμάτωση άλλου συστατικού διαφορετικής ταχύτητας μοριακής διάχυσης. Πρακτικά, στην πειραματική δεξαμενή δημιουργείται γραμμική πυκνομετρική στρωμάτωση εφαρμόζοντας την τεχνική των Oster & Yamamoto (1963) και ακολούθως εγχέεται ρευστό από επάνω υπό μορφή τυρβώδους ανωστικής φλέβας. Μετρήθηκαν τα πάχη των Fingers (L) και τα μήκη τους (λ) για εξέλιξη του φαινομένου σε 180 min. Οι τιμές του L κυμαίνονται στο διάστημα 1 έως 2.5 mm και το λ στο διάστημα 0 έως 9 mm. Ο μηχανισμός των Fingers φαίνεται να ομογενοποιεί το πεδίο αποβλήτων και ως αποτέλεσμα να αποτελεί έναν επικουρικό μηχανισμό αραίωσης. Στον τρίτο τύπο πειραμάτων δημιουργείται γραμμική πυκνομετρική στρωμάτωση με ρευστό που προκύπτει από την ανάμειξη ζαχαρόνερου και αλατόνερου (‘’The Double Gradient System’’). Η συγκέντρωση ζαχαρόνερου μειώνεται γραμμικά από την επιφάνεια προς τον πυθμένα, ενώ η συγκέντρωση αλατόνερου αυξάνεται γραμμικά από την επιφάνεια προς τον πυθμένα. Μετρήθηκαν τα πάχη των Fingers στο υπό εξέταση στρώμα και αυτά κυμάνθηκαν από 1 έως 2.5 mm. Παρατηρήθηκε ότι στις μικρές πυκνομετρικές κλίσεις το φαινόμενο εξελίσσεται ταχύτατα και το μελετώμενο στρώμα 25 cm ομογενοποιείται σε χρόνους περί των 100 min. Από την άλλη, στις περιπτώσεις μεγάλων πυκνομετρικών κλίσεων το φαινόμενο εξελίσσεται πολύ αργά και οι αντίστοιχοι χρόνοι ομογενοποίησης αγγίζουν τα 300 min. Η συνύπαρξη των άνω υγρών, σε όλα τα παραπάνω συστήματα, εκκινεί το φαινόμενο της διπλής διάχυσης και εμφανίζονται ροές σε φαινομενικά ευσταθή συστήματα. Η παρούσα πειραματική εργασία εστιάζει στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της δομής των Fingers και της ευρύτερης γεωμετρίας του αναπτυσσόμενου φαινομένου συναρτήσει του χρόνου εξέλιξής του.

In the present diploma thesis the double-diffusive convection phenomenon is investigated experimentally. More precisely, the existence of two density affecting components in a system of fluids with different molecular diffusion coefficients is able to cause instabilities in a gravitationally stable system. The aforementioned instabilities appear with thread-like streams which are called Salt Fingers or (simply) Fingers. In this work, the phenomenon was examined by using combinations of salt and sugar solutions. The visualization of Salt Fingers was accomplished by the implementation of LIF technique (Laser-Induced Fluorescence) and with rhodamine 6G (R6G). In order to understand double-diffusive convection we performed three different types of experiments and totally 30 measurable experiments. In the first type of experiments, Salt Fingers were developed in a two layer system. The upper and lighter layer is sugar solution and the down layer is salt solution. The width of Salt Fingers (L) in this experiment is around 1 mm and the length of interface thickness (h) ranges from 5 to 35 mm for 180 min of observation. Additionally, we observed that the ascending and descending flows developed asymmetrically. In the second type of experiments, the phenomenon is developed through the diffusion of a component inside a linearly stratified ambient with a component with different velocity of molecular diffusion. Practically, inside the experimental tank a linear stratification is created by using the two tank method of Oster & Yamamoto (1963) and after this, a turbulent buoyant jet is injected from above in the tank. The width (L) and the length (λ) of Fingers were measured for 180 min of observation. L ranges from 1 to 2.5 mm and λ from 0 to 9 mm. The Salt Fingers mechanism seems to homogenize the waste field and as a result to be an additional mechanism of dilution. In the third type of experiments, a linear stratification is created by a complex fluid which is a combination of salt and sugar solution (‘’The Double Gradient System’’). Particularly, sugar concentration is decreased from the surface of the experimental tank to the bottom, while salt concentration is increased from the free surface to the bottom (Oster & Yamamoto). We measured the width of Salt Fingers which ranges from 1 to 2.5 mm. Also, it is observed that in experiments with small gradient of density stratification Salt Fingers are developed quickly enough and the stratified layer (25 cm) is homogenized in approximately 100 min. On the other hand, in experiments with large gradient of density stratification, the phenomenon is developed slowly and the time for the homogenization of the stratified layer (25 cm) is approximately 300 min. The coexistence of these solutions, in all the above mentioned systems, starts the double-diffusive convection phenomenon in an apparent stable system. The present thesis focuses on the geometrical characteristics of Fingers structure and generally on the geometry of the Finger phenomenon as a function of time.