Πειραματική διερεύνηση οριζόντιων κυκλικών και μη αξονοσυμμετρικών ανωστικών φλεβών, σε ομογενή ακίνητο αποδέκτη

Abstract

Horizontal jets for the disposal of thermal wastes (e.g. hot, cooling water) are widely applied in practice. However, limited research is available for the study of the properties of such jets, that is mainly focused on the trajectory rather than the turbulent properties of the flow. In the present thesis, we investigated horizontal turbulent buoyant jets through a series of experiments performed in a homogeneous calm ambient fluid. A set of experiments with heated and saltwater jets were conducted. A double-grid shadowgraph technique was developed and applied, along with Laser Induced Fluorescence (LIF) techniques in order to visualize the flow more accurately. Temperature measurements were performed using fast response thermistors and LIF, and the turbulence characteristics of the flow were evaluated. The results from the measurements were compared to those from 1-D mathematical models. The application of different visualization techniques has shown the significant advantages of the LIF method. The jet trajectories of the heated jets were found to reach greater distances, if compared to the saltwater ones, when similar initial flow conditions are applied, because heated jets do not conserve the initial buoyancy flux. All the dimensionless jet trajectories tend to collapse to a single one, as the initial Richardson number becomes smaller and jet-like flow conditions are met. The trajectories were compared to those from a 1-D mathematical model and were found to fit satisfactorily well. Similarities and differences were found by comparing the time-averaged excess temperatures, the turbulence intensities and other turbulence characteristics of the flow, to those of vertical buoyant jets. The most apparent difference is the asymmetry introduced by horizontal jets that is clear in almost all the experiments. The jet width, as well as the average dilution on the axis were investigated, with the distance from the nozzle. The centerline dilutions did not show any significant differences between the jets from axisymmetric and non-axisymmetric nozzles. Finally, by examining jet cross-sections via LIF, it was found that independently of the nozzle geometry, the cross-section of a non-axisymmetric horizontal jet becomes approximately circular in very short distances from the nozzle.

Αν και η εφαρμογή οριζόντιων φλεβών για τη διάθεση θερμικών αποβλήτων (π.χ. νερού ψύξης) είναι αρκετά διαδεδομένη, υπάρχει περιορισμένος αριθμός εργασιών στη διεθνή βιβλιογραφία, που κατά κύριο λόγο βασίζονται περισσότερο στην περιγραφή της τροχιάς των φλεβών παρά στα τυρβώδη χαρακτηριστικά της. Στην παρούσα διατριβή μελετώνται πειραματικά οριζόντιες τυρβώδεις ανωστικές φλέβες που διαχέονται σε ήρεμο ομογενή αποδέκτη. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με φλέβες αλατόνερου και με θερμαινόμενες φλέβες. Για την κατάρτιση των τροχιών εφαρμόστηκε τεχνική σκιαγραφήματος με διπλό κάνναβο και τεχνικές LIF (Laser Induced Fluorescence). Πραγματοποιήθηκαν επίσης μετρήσεις θερμοκρασίας και υπολογισμός χαρακτηριστικών της τύρβης με τη χρήση αισθητήρων θερμοκρασίας ταχείας απόκρισης, καθώς και με τεχνικές LIF. Τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων συγκρίθηκαν μεταξύ τους καθώς και με τα αποτελέσματα από την εφαρμογή μονοδιάστατων μαθηματικών ομοιωμάτων. Η εφαρμογή των διαφορετικών τεχνικών οπτικοποίησης της ροής έδειξε σημαντικά πλεονεκτήματα της χρήσης LIF. Από τις τροχιές των φλεβών διαπιστώθηκε ότι οι θερμαινόμενες φλέβες διανύουν μεγαλύτερες αποστάσεις σε σύγκριση με τις φλέβες αλατόνερου, για κοινές αρχικές συνθήκες, λόγω μη διατήρησης της αρχικής ανωστικής δύναμης στις θερμαινόμενες φλέβες. Διαπιστώθηκε επίσης ότι οι αδιάστατες τροχιές των φλεβών τείνουν να συμπέσουν, όσο η ροή έχει τα χαρακτηριστικά απλής φλέβας (jet), δηλαδή όσο μειώνεται ο αρχικός αριθμός Richardson. Τα αποτελέσματα επαληθεύτηκαν με την εφαρμογή μαθηματικού ομοιώματος, καθώς και με σύγκριση των οπτικών τροχιών και των τροχιών από τις μετρήσεις θερμοκρασίας. Από τα διαγράμματα μέσων τιμών, εντάσεων τύρβης και των λοιπών στατιστικών χαρακτηριστικών της τύρβης, διαπιστώθηκαν γενικές ομοιότητες και συνέπεια με αντίστοιχα στοιχεία από κατακόρυφες φλέβες. Η σημαντικότερη διαφορά είναι η ασυμμετρία που εισάγει η οριζόντια διεύθυνση της ροής, και η οποία είναι εμφανής σε όλες τις κατανομές. Εξετάστηκε επίσης η μεταβολή του πλάτους της φλέβας, καθώς και η μέση αραίωση στον άξονα. Από την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων δεν διαπιστώθηκε κάποια σημαντική διαφοροποίηση στα χαρακτηριστικά ανάμειξης μεταξύ φλεβών από αξονοσυμμετρικά και μη αξονοσυμμετρικά ακροφύσια. Τέλος, με την απεικόνιση εγκάρσιων τομών φλεβών που έγινε με LIF, διαπιστώθηκε ότι ανεξάρτητα από το σχήμα του ακροφυσίου, η διατομή μιας μη αξονοσυμμετρικής οριζόντιας φλέβας μεταπίπτει σε κυκλική σε πολύ μικρή απόσταση από το ακροφύσιο.