Δομή στρωματωδών ροών ανάντη εκβολών υδατορεύματος

Abstract

Stratified flows occur in a series of natural phenomena and processes, and their behavior affects the decision-making procedure when facing relevant technical problems. A “stratified flow” is defined as the fluid movement within a gravity field, which is caused or governed by fluid’s density variations, usually negligible in the horizontal plane. However, in the vertical plane these variations are considerable and it is assumed -for the different fluids- either that their density is continuously varied or that they comprise distinct homogenous layers of constant density. Thus, the dominant stratified fluid classification consists of two basic categories: (α) The fluids comprising finite number of -constant density- layers (density varies of course between different layers). In this case the layers are separated by a thin zone, mathematically described as a distinct surface (interface), a boundary of velocity and density discontinuity. (β) The fluids with continuous density variation between successive layers. The basic assumptions in this category are: finite interface’s zone width and continuity of both velocity and density fields within this zone. Specifically density is considerably varied (big density gradient) while outside the aforementioned zone it practically remains constant. A significant “stratified flow” example is that of the “saline wedge” formation upstream from rivers’ estuaries. This phenomenon has been an object of extensive study during the last one and a half century for the international scientific community. However, it continues to maintain its topical character even in our days, considering various existing problems related with the saline wedge, like: - erosion and accretion control in its area, in order to minimize the maintenance cost of navigational channels, - wedge’s length control, related to the decrease of the pollution’s extent in soil and underground water from the saltwater (salinization) and - flow conditions’ control in river estuaries. The structure/formation of stratified flows upstream from rivers’ estuaries was studied in the present doctoral dissertation. In the framework of the above study, a complete series of experiments was performed (for both smooth and rough bed) using the Laboratory of Hydraulics’ experimental device in A.U.Th.. The analysis of the conducted experiments’ measurements led to valuable conclusions about the length of the stationary saline wedge, the distributions of density, velocity, shear stress, turbulence and turbulent kinetic energy as well as the interface friction coefficient “fi”. These findings are briefly presented in the following.

Οι στρωματώδεις ροές εμφανίζονται σε μια σειρά φαινομένων και διεργασιών στη φύση και η συμπεριφορά τους επηρεάζει τον τεχνικό κόσμο στη λήψη αποφάσεων κατά την αντιμετώπιση σχετικών προβλημάτων. Με τον όρο ‘στρωματώδης ροή’ χαρακτηρίζεται η κίνηση ρευστών σε πεδίο βαρύτητας που προκαλείται ή διέπεται από μεταβολές της πυκνότητας μέσα στο ρευστό. Οι μεταβολές της πυκνότητας συνήθως θεωρούνται αμελητέες ως προς τις οριζόντιες διευθύνσεις. Κατά την κατακόρυφη διεύθυνση, τα ρευστά διαφορετικής πυκνότητας μπορούν να θεωρηθούν, είτε ότι παρουσιάζουν συνεχή μεταβολή της πυκνότητας τους, είτε ότι αποτελούν ομογενή επάλληλα στρώματα σταθερών πυκνοτήτων. Έτσι, έχει επικρατήσει η διάκριση των στρωματωδών ρευστών σε δύο βασικές κατηγορίες: (α) Τα αποτελούμενα από πεπερασμένο αριθμό στρωμάτων των οποίων οι πυκνότητες διαφέρουν από στρώμα σε στρώμα, αλλά θεωρούνται σταθερές για καθένα από αυτά. Στην περίπτωση αυτή τα στρώματα χωρίζονται με λεπτή ζώνη, η οποία κατά την μαθηματική επεξεργασία του φαινομένου λαμβάνεται σαν διακεκριμένη επιφάνεια (διεπιφάνεια), όπου υπάρχει ασυνέχεια των ταχυτήτων και των πυκνοτήτων. (β) Τα ρευστά τα οποία κατά τη μετάβαση από το ένα στο άλλο παρουσιάζουν συνεχή μεταβολή της πυκνότητας. Στην περίπτωση αυτή το πλάτος της διεπιφανειακής ζώνης θεωρείται ότι είναι πεπερασμένο και σ’ αυτό υπάρχει συνέχεια των ταχυτήτων και των πυκνοτήτων. Ιδιαίτερα η πυκνότητα μεταβάλλεται σημαντικά στο πλάτος της διεπιφανειακής ζώνης (μεγάλη βαθμίδα πυκνότητας), ενώ εκτός αυτής παραμένει πρακτικά σταθερή. Μια σημαντική περίπτωση στρωματώδους ροής αποτελεί το φαινόμενο σχηματισμού της «αλμυρής σφήνας» ανάντη των εκβολών υδατορευμάτων στη θάλασσα. Το φαινόμενο υπήρξε αντικείμενο ενδελεχούς έρευνας και μελέτης από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα ήδη από τα μέσα του προηγούμενου αιώνα. Ωστόσο, εξακολουθεί να διατηρεί τον επίκαιρο χαρακτήρα του και στη σημερινή εποχή, αν ληφθούν υπόψη τα προβλήματα που σχετίζονται άμεσα με την αλμυρή σφήνα όπως : - ο έλεγχος των διαβρώσεων και εναποθέσεων στην περιοχή της, με σκοπό την ελαχιστοποίηση του κόστους συντηρήσεως καναλιών ναυσιπλοΐας, - ο έλεγχος του μήκους της σφήνας που σχετίζεται με τη μείωση της έκτασης της ρύπανσης τόσο του υπόγειου νερού όσο και του γειτονικού εδάφους από το νερό της θάλασσας, - ο έλεγχος των συνθηκών ροής στην είσοδο των καναλιών και ποταμών στη θάλασσα. - Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της δομής των στρωματωδών ροών ανάντη των εκβολών υδατορευμάτων στη θάλασσα . Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε μια ολοκληρωμένη σειρά πειραμάτων ( σε λείο και τραχύ πυθμένα) στην πειραματική συσκευή του εργαστηρίου Υδραυλικής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Α.Π.Θ. Από την ανάλυση των πειραματικών μετρήσεων προέκυψαν σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με το μήκος της στάσιμης αλμυρής σφήνας, την κατανομή πυκνοτήτων, ταχυτήτων, διατμητικών τάσεων, τύρβης και τυρβώδους κινητικής ενέργειας και τέλος το συντελεστή τριβής στη διεπιφάνεια fi .