Κατακόρυφες τυρβώδεις φλέβες αρνητικής άνωσης σε ήρεμο ομογενή αποδέκτη

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας πειραματικής εργασίας είναι ο προσδιορισμός του βάθους διείσδυσης φλέβας ελαφρύτερου υγρού, το οποίο διαχέεται κατακόρυφα με φορά προς τα κάτω, μέσω ακροφύσιου, σε ομογενές, ακίνητο, βαρύτερο ρευστό. Συγκεκριμένα, μετρήθηκαν το μέγιστο ύψος διείσδυσης φλέβας αρνητικής άνωσης Zmax και το ύψος σταθεροποίησης αυτής Ζ, σαν συνάρτηση του αρχικού αριθμού Richardson της φλέβας. Το εύρος των αρχικών αριθμών Richardson κυμάνθηκε ανάμεσα σε πολύ μικρές τιμές, κοντά στο μηδέν, (φλέβες ορμής ή jets), έως τη μονάδα (πλήρως ανωστικές φλέβες ή πλούμια). Διερευνηθήκαν δύο είδη φλεβών: (1) καθαρό νερό βρύσης που διαχέεται μέσα σε αλατόνερο (φλέβες με σταθερή ανωστική δύναμη) και (2) φλέβα θερμού νερού μέσα σε κρύο νερό βρύσης (φλέβες με μεταβλητή άνωση). Τα στόμια των ακροφυσίων που χρησιμοποιήθηκαν έχουν κυκλική, ορθογωνική, τετραγωνική και τριγωνική διατομή. Ο αποδέκτης, θεωρείται απείρων διαστάσεων (αμελείται η επίδραση των ορίων). Για αρχικούς αριθμούς Richardson της φλέβας μικρότερους από 0.2 έως 0.3, τα κανονικοποιημένα βάθη διείσδυσης κυκλικών φλεβών Ζ//Μ και Zmax//M λαμβάνουν τις τιμές περίπου 2 και 3 αντίστοιχα, αποτελέσματα τα οποία συμφωνούν με τη διαστατική ανάλυση. Επομένως για ακροφύσια κυκλικής διαμέτρου το σταθεροποιημένο βάθος διείσδυσης Ζ είναι πρακτικά ίσο με 2/μ· ενώ Zmax ~ 3/μ· Για μεγαλύτερες τιμές του αρχικού αριθμού Richardson της φλέβας η μείωση των παραπάνω κανονικοποιημένων διεισδείσεων είναι δραματική. Αυτό εξ’ άλλου είναι εμφανές από το γράφημα του κανονικοποιημένου βάθους διείσδυσης Z//q σαν συνάρτηση του αρχικού αριθμού Richardson R0, όπου παρατηρείται αλλαγή της κλίσης της ευθείας των δεδομένων για Ro>0.3, δηλώνοντας την ταχύτερη μείωση του Ζ με την αύξηση του R0. Σε φλέβες με μεγάλη ορμή και αρνητική άνωση από ισόπλευρο τριγωνικό και τετραγωνικό ακροφύσιο, το βάθος διείσδυσης της μόνιμης ροής στο περιβάλλον ρευστό είναι περίπου διπλάσιο της χαρακτηριστικής κλίμακας /μ, ενώ το μέγιστο βάθος διείσδυσης είναι ελαφρώς μικρότερο από 3/μ· Οι φλέβες που δημιουργούνται από ορθογωνικό, με λόγο πλευρών 2:1, ακροφύσιο διεισδύουν σε μικρότερο βάθος, δηλώνοντας έτσι ότι συμπαρασύρουν περισσότερο περιβάλλον υγρό απ’ ότι οι φλέβες από κυκλικό, τριγωνικό ή τετραγωνικό ακροφύσιο. Στις κατακόρυφες φλέβες θερμού νερού αρνητικής άνωσης, η αρχική άνωση της φλέβας δεν διατηρείται σε ολόκληρο το πεδίο ροής (Kotsovinos, 1975). Παρατηρούμε ότι για Ro<0.3, Ζ//μ~2. Η παρούσα τιμή δεν διαφέρει ουσιαστικά από αυτή των πειραμάτων με αλατόνερο για τα κυκλικά ακροφύσια. Επομένως, οι κατακόρυφες θερμαινόμενες φλέβες σχετικά με το βάθος διείσδυσης, συμπεριφέρονται σαν κατακόρυφες φλέβες σταθερής αρνητικής άνωσης. Για αριθμούς Richardson μεγαλύτερους του 0.3 παρατηρούμε ότι το αδιάστατο βάθος διείσδυσης μειώνεται. Το μέγιστο βάθος διείσδυσης στα πειράματα με θερμό νερό δεν ήταν δυνατό να προσδιοριστεί.