Έρευνα φαινομένων ανάμειξης μέσω μεγάλων ροϊκών δομών και τύρβης σε διεπιφάνειες υγρού-αερίου

Abstract

Η έρευνα εντάσσεται στο ευρύ ττεδίο της μηχανικής των ρευστών. Στην μηχανική ρευστών ανάμειξη μπορεί να επιτευχθεί με την βοήθεια των στροβιλωδών κινήσεων που δημιουργούνται πίσω από μη αεροδυναμικά σώματα (bluff body), όπως οι μεγάλης κλίμακας κινήσεις στο νερό στο στροβιλώδες απόρευμα "διδιάστατων” σωμάτων (κυλίνδρων)(π.χ. εκροή δινών von Kantian) και σαν εκρέουσα στροβιλότητα στο απόρευμα πτερυγίων τύπου Δέλτα (όπως πίσω από αεροσκάφη). Σε εργαστηριακή κλίμακα αυτές είναι ενδεδειγμένες και παραδεκτές τεχνικές δημιουργίας μεγάλων δινών. Εφαρμογή των παραπάνω τεχνικών είναι η υποβοήθηση της ανάπτυξης θαλάσσιας τεχνολογίας στις ιχθυοκαλλιέργειες όπου τεχνητά αναδεύεται και μεταφέρεται νερό από τον βυθό (πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά) προς την σχετικά πτωχή επιφάνεια. Η αποδοτικότητα σχετίζεται με το τοπικό ροϊκό πεδίο, το χρόνο παραμονής, το ποσοστό ανάμειξης και σύστασης των υλικών για την ιχθυοκαλλιέργεια. Προσπάθεια να διαλευκανθούν οι μηχανισμοί ανάμειξης που τίθενται σε αποδοτική λειτουργία πλησίον της επιφάνειας του νερού γίνεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Η σημασία της έρευνας επεκτείνεται και σε άλλους τομείς της θαλάσσιας τεχνολογίας όπως π.χ. στα μεγάλης διάρκειας απορεύματα πλοίων και υποβρυχίων (σημαντικά για τον εντοπισμό των από δορυφόρους ή για άλλους σκοπούς), στην αλληλεπίδραση απορευμάτων, ρευμάτων και κυμάτων από εξέδρες πετρελαίου (σημαντικά για την δυναμική των συμπεριφορά και αντοχή) στην ανάμειξη και διασπορά πετρελαιοκηλίδων, στρωματοποιημένων στιβάδων αλατάτητας, όπως επίσης και στην πολύπλοκη αλληλεπίδραση νερού αέρα στο θαλάσσιο περιβάλλον. Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής, εντάσσεται στην επιστημονική περιοχή της μηχανικής των ρευστών και αφορά την αλληλεπίδραση στροβιλωδών δομών και κινήσεων στην διεπιφάνεια υγρού - αέρα. Βασικός στόχος της εργασίας αυτής είναι να μελετηθούν και να γίνουν κατανοητοί οι μηχανισμοί και οι συνθήκες της ανάμειξης κοντά στην διεπιφάνεια ρευστού (νερού - αέρα) εξ αιτίας μεγάλων στροβιλωδών κινήσεων του ρευστού, καθώς επίσης και η σύγκριση απορευμάτων που δημιουργούνται σε ελεύθερη παράλληλη ροή σε κανάλι νερού με εκείνα που δημιουργούνται κοντά σε ελεύθερη επιφάνεια νερού - αέρα και νερού - στερεού τοιχώματος. Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε ήταν πειραματική. Αρχικά έγιναν πειράματα σε αεροσήραγγα για να ερευνηθούν και να κατανοηθούν σε βάθος οι μηχανισμοί που μεταφέρουν και διαχέουν την συγκέντρωση υλικών σε απορεύματα κυλίνδρων υπό την παρουσία στερεού απαραμόρφωτου τοιχώματος. Μετρήθηκαν πεδία ταχυτήτων και θερμοκρασιών σε επιλεγμένες θέσεις. Στην συνέχεια έγιναν πειράματα σε κανάλι νερού (water channel), με σκοπό την μελέτη και κατανόηση της ανάμειξης παρουσία μεγάλων στροβιλωδών δομών σε ελεύθερη επιφάνεια χωρίς κύματα. Τα πειραματικά δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν κατασκευάστηκαν λαμβάνοντας υπόψη τους πειραματικούς περιορισμούς (μέγεθος υδροσήραγγας και αεροσήραγγας). Επόμενο στάδιο ήταν η συστηματική - επιστημονική παρατήρηση που περιλαμβάνει σειρά μετρήσεων του πεδίου ταχυτήτων, θερμοκρασιών και συγκεντρώσεων σε επιλεγμένες θέσεις στο χώρο καθώς και οπτικοποίηση της ροής. Η ανεμομετρία θερμού νήματος, (Hot Wire Anemometry, HWA), ήταν η κύρια τεχνική μέτρησης που υιοθετήθηκε για την απόκτηση των πειραματικών δεδομένων που αφορούσαν το ρευστό και το κυμαινόμενο πεδίο ταχύτητας και θερμοκρασίας σε αεροσήραγγα και υδροσήραγγα. Για την μέτρηση των συγκεντρώσεων χρησιμοποιήθηκε σύστημα οπτικών ινών. Η οπτικοποίηση της ροής αποσκοπεί στην κατανόηση της φυσικής της ροής σε ένα ικανό εύρος χώρου και χρόνου καθώς και στην ποσοτικοποίηση σημαντικών μεγεθών. Το παραπάνω χαρακτηριστικό έκανε δυνατή την ανάκτηση ποσοτικών πληροφοριών πάνω σε βασικά μεγέθη της ροής (συχνότητα απόσπασης δινών Von Karman, αριθμός Strouhal, μήκος της περιοχής σχηματισμού δινών, ποσοστό ανάμειξης, μεταβατικά φαινόμενα στο απόρευμα) σε ελεύθερη ροή, σε ροή κοντά σε στερεό όριο και σε ροή κοντά σε διεπιφάνεια καθώς και των μεταβολών αυτών στις τρεις προαναφερθείσες περιπτώσεις ροής. Ο συνδυασμός των παραπάνω μεθόδων περιγραφής έδωσε σημαντικές και αλληλοσχετιζόμενες πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά και την μεταβολή των μεγεθών που μελετούνται. Επειδή δεν ήταν δυνατόν να παρατηρηθεί το πεδίο ταχυτήτων στο πολύ κοντινό απόρευμα λόγω αναστροφής της ροής, θεωρήθηκε διαφωτιστική η χρήση του εμπορικού λογισμικού υπολογιστικής ρευστοδυναμικής CFX. Έγινε μια συστηματική αλλαγή παραμέτρων, όπως π.χ. η αλλαγή της θέσης του απορεύματος σχετικά με το στερεό τοίχωμα και την διεπιφάνεια, με σκοπό την διαπίστωση τάσεων διαμόρφωσης της ροής, υποστηρικτικά προς το πείραμα. Από τις μετρήσεις και τον σχολιασμό των διαγραμμάτων των μεγεθών που μελετήθηκαν προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα που βοηθούν να κατανοηθεί καλύτερα ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η ανάμειξη κοντά σε διεπκράνειες και στερεά όρια παρουσία μεγάλων στροβιλωδών δομών. Ενδεικτικά αναφέρονται τα εξής: • Βρέθηκε ότι η καλύτερη ανάμειξη, με τον χαμηλότερο δείκτη ανάμειξης lmjXi συμβαίνει όταν ο κύλινδρος είναι σε μικρή εγκάρσια απόσταση, της τάξης του 0.8D από ένα στερεό όριο και μάλιστα όταν αυτό έχει και καμπυλότητα. • Εκροή εναλλασσόμενων οργανωμένων δομών, όπως οι δίνες von Karman συντελείται όταν ο κύλινδρος είναι σε απόσταση μεγαλύτερη από 0.8D είτε από την ελεύθερη επιφάνεια νερού - αέρα είτε από το στερεό όριο. • Ο συντελεστής ανάμειξης imix, επηρεάζεται από τον αριθμό Reynolds του κυλίνδρου. Αύξηση του αριθμού Reynolds οδηγεί σε χαμηλότερες τιμές του της ταχύτητας και της θερμοκρασίας. Αυξημένοι αριθμοί Reynolds οδηγούν σε ισχυρότερη τύρβη και γρηγορότερη αποδόμηση των δινών von Karman (σε τύρβη), άρα και σε ταχύτερες διαδικασίες ανάμειξης. • Σε κύλινδρο με σταθερά σημεία αποκόλλησης, όπως ο τετραγωνικός κύλινδρος, φαίνεται ότι η επίδραση της διεπιφάνειας είναι λιγότερο σημαντική από ότι στον κυκλικό κύλινδρο που έχει μεταβλητά σημεία αποκόλλησης. Ιδιαίτερα ο αριθμός Strouhal εκροής δινών στον τετραγωνικό κύλινδρο, διατηρεί πολύ πιο σταθερές τιμές σε περιοχές κοντά στην διεπιφάνεια από ότι στις αντίστοιχες θέσεις με κυκλικό κύλινδρο. • Το μήκος σχηματισμού δινών Lf αυξάνεται σε θέσεις κοντά σε στερεά όρια ή διεπιφάνεια σε σχέση με την παράλληλη ελεύθερη ροή. Πιο έντονο είναι αυτό το φαινόμενο κοντά στην διεπιφάνεια, η οποία επιτρέπει στην περαιτέρω επιμήκυνση των διατμητικών στρωμάτων επειδή η ταχύτητα εκεί δεν είναι μηδέν, όπως στα στερεά όρια με οριακό στρώμα. Τα αποτελέσματα αυτά συμβαδίζουν με τα αντίστοιχα υπολογιστικά. Αύξηση του αριθμού Reynolds, μικραίνει το μήκος σχηματισμού δινών Lf, εξ αιτίας της λέπτυνσης των αποκολλημένων διατμητικών στρωμάτων και της ευκολότερης αλληλεπίδρασης των στο κοντινό απόρευμα. • Ο μέσος χρόνος παραμονής, Tdean, ενός βαθμωτού μεγέθους όπως η θερμοκρασία ή η συγκέντρωση χρωστικής στο κοντινό απόρευμα αυξάνει στην περιοχή στερεών ορίων ή διεπιφανειών, σε σχέση με την τιμή του για ελεύθερη παράλληλη ροή. Η αύξηση αυτή είναι πλέον εμφανής κοντά σε στερεό όριο απ’ ότι σε διεπιφάνεια, επειδή το στερεό όριο έχει την δυνατότητα να εγκλωβίσει την συγκέντρωση του βαθμωτού μεγέθους. • Συγκρίνοντας δυο διαφορετικούς τρόπους ανάμειξης, εκείνον με εισαγωγή του βαθμωτού μεγέθους μέσω ενός κυλίνδρου και μέσω μιας δέσμης, φαίνεται ότι ο πρώτος είναι ο πλέον αποδοτικός είτε σε ελεύθερη ροή είτε σε διεπιφάνεια. επειδή η επίτευξη της ανάμειξης γίνεται και με τις οργανωμένες δομές μεγάλου μεγέθους (δίνες von Karman) και με την δημιουργούμενη τύρβη. • Η διασπορά b1/2 των εγκάρσιων κατανομών ταχύτητας και θερμοκρασίας αυξάνει με την απόσταση κατάντι του κυλίνδρου και τα αποτελέσματα για την ελεύθερη ροή συμφωνούν με την βιβλιογραφία. Οι διασπορές της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερες από εκείνες της ταχύτητας. Όσον αφορά τις περιπτώσεις κοντά σε στερεό όριο ή διεπιφάνεια, διαπιστώθηκε ότι το ήμιση της διασποράς b1i2/2 (από την μία πλευρά) είναι μεγαλύτερο εκείνου για ελεύθερη παράλληλη ροή. Η διασπορά των κατανομών κοντά σε διεπιφάνεια υπερτερεί των δύο άλλων, αλλά ο ρυθμός μεταβολής με την απόσταση κατάντι είναι σχετικά μικρότερος. • Οι κλίμακες της ταχύτητας αυξάνουν κατάντι του κυλίνδρου με τον νόμο όπως παρατηρήθηκε σε αντίστοιχα πειράματα με τύρβη από πλέγματα. Παρατηρήθηκε επίσης ότι οι κλίμακες της θερμοκρασίας είχαν τάσι μείωσης κατάντι του κυλίνδρου σε αντίθεση με την παρατηρούμενη αύξηση για τύρβη από πλέγματα. Το φαινόμενο αυτό πιθανώς να σχετίζεται με την πρόωρη πτώση της θερμοκρασιακής τύρβης. Οι κλίμακες τύρβης είναι μεγαλύτερες κοντά στην διεπιφάνεια από ότι σε αντίστοιχες θέσεις σε ελεύθερη παράλληλη ροή. Αύξηση του αριθμού Reynolds οδηγεί σε μείωση των κλιμάκων σε αντίστοιχες θέσεις, όπως έχει παρατηρηθεί και σε ροές τύπου δέσμης.