Πειραματική διερεύνηση, θεωρητική ανάλυση και αριθμητική προσομοίωση πεδίου ροής και διάχυσης θερμικού δακτυλιοειδούς πλουμίου

Abstract

The study of the behavior of thermal plums is very important to limit their environmental impact, as they occur both in nature and in human emissions such as emissions of gaseous heat from chimneys or tower cooling and discharges of pollutants during diffusion thermal waste in an aquatic environment. The present dissertation examines experimentally, numerically and theoretically the flow field of a thermal annular plume flowing with exit mean velocity of 0.527 and 0.702 m/s. The experimental setup consists of an air heating box with annular slot of 0.12-m mean diameter and 0.01-m width, accompanied by equipment for setup operation and measurement of mean velocities and temperatures. The trajectory of maximum velocities and the isovelocity contours indicate reattachment of the plume self-merging at z_P0= 0.161 m and around 0.20 m corresponding to exit velocities. It was found that z_P0 depends mainly upon Froude number and annulus equivalent diameter. Vortex rings with corresponding centres at z_vc= 0.0274 and 0.035 m and a stagnation point at z_P1≅ 0.055 m along the plume centreline are detected experimentally. The annular plume core obtains almost uniform temperature. The numerical research simulates the phenomenon studied during the experimental process with the ANSYS © FLUENT CFD software and examines the same quantities. To predict the self-merging trajectory, a novel integral model is developed, namely self-merging approach (SMA). SMA is based on the solution of the ordinary differential equations of momentum and buoyancy applied to an infinitesimal sector of the annular plume, which is assumed to be equivalent of two identical slot plumes. These plumes undergo the entrainment and are sunk by a series of sinks along the centreline. The intensity of the sources is calculated by a new (original) relationship. The predictions resulting from the application of the SMA and the numerical simulation, in terms of the self-merging trajectory, as well as the mean axial velocities and mean concentrations along the central line of the annular plume, are compared with the experimental measurements and agree quite well with each other. In addition, a sensitivity analysis of the forecasts of the integrated model is presented and some practical issues are discussed. From the results of the present work, useful conclusions emerge, which can help scientists to better understand the phenomenon and optimize the design and operation of the relevant effluent systems when they operate at low momentum, as the annular plume is the limiting case of a series of plumes forming a rosette-type diffuser.

Η μελέτη της συμπεριφοράς των θερμικών πλουμίων είναι πολλή σημαντική για τον περιορισμό των περιβαλλοντικών τους επιπτώσεων, καθώς εμφανίζονται τόσο στην φύση όσο και σε εκλύσεις που προέρχονται από τον άνθρωπο, όπως εκπομπές αέριων θερμικών ρύπων από καμινάδες ή πύργους ψύξεις και εκροές ρύπων από διαχύτες κατά την διάθεση θερμικών αποβλήτων σε υδάτινο περιβάλλον. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζεται πειραματικά, αριθμητικά και θεωρητικά το πεδίο ροής ενός δακτυλιοειδούς θερμικού πλουμίου που εκρέει με μέση ταχύτητα εξόδου 0,527 και 0,527 m/s. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα κιβώτιο θέρμανσης αέρα με δακτυλιοειδή σχισμή μέσης διαμέτρου 0,12 m και πλάτους 0,01 m, συνοδευόμενο από εξοπλισμό για τη λειτουργία εγκατάστασης και τη μέτρηση των μέσων ταχυτήτων και θερμοκρασιών. Η τροχιά των μέγιστων ταχυτήτων και τα διαγράμματα ισοταχών καμπύλων δείχνουν ότι το πλούμιο αυτοσυγχωνεύεται στο σημεία z_P0= 0,161 m και περίπου 0,20 m που αντιστοιχούν στις προαναφερόμενες ταχύτητες εξόδου. Βρέθηκε ότι το z_P0 (σημείο αυτοσυγχώνευσης) εξαρτάται κυρίως από τον αριθμό Froude και την ισοδύναμη διάμετρο του δακτυλίου. Ανιχνεύεται πειραματικά επίσης ότι οι δακτυλιοειδείς στρόβιλοι έχουν κέντρο στα σημεία z_vc= 0,0274 και 0,035 m, αντίστοιχα, και σημείο στασιμότητας z_P1≅ 0,055 m κατά μήκος της κεντρικής γραμμής του πλουμίου. Ο δακτυλιοειδής πυρήνας του πλουμίου αποκτά σχεδόν ομοιόμορφη θερμοκρασία. Στην αριθμητική έρευνα γίνεται προσομοίωση του φαινομένου που μελετήθηκε κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας με το λογισμικό ANSYS© FLUENT CFD και εξετάζονται τα ίδια μεγέθη. Για την πρόβλεψη της τροχιάς αυτοσυγχώνευσης, αναπτύσσεται ένα νέο ολοκληρωματικό μοντέλο, που ονομάζεται προσέγγιση αυτο-συγχωνεύσεως (self-merging approach, SMA). Το SMA βασίζεται στη λύση των συνήθων διαφορικών εξισώσεων ορμής και άνωσης που εφαρμόζονται σε έναν απειροελάχιστο τομέα του δακτυλιοειδούς πλουμίου, ο οποίος θεωρείται ότι είναι ισοδύναμος με δύο αντιδιαμετρικά πανομοιότυπα δισδιάστατα πλούμια. Αυτά τα πλούμια υφίστανται αλληλο-συμπαράσυρση από μια σειρά πηγών αρνητικής έντασης κατά μήκος της κεντρικής γραμμής. Η ένταση των πηγών υπολογίζεται από μια νέα (πρωτότυπη) σχέση. Οι προβλέψεις που προκύπτουν από την εφαρμογή του SMA και από την αριθμητική προσομοίωση, όσον αφορά την τροχιά αυτοσυγχώνευσης και τις μέσες αξονικές ταχύτητες και μέσες συγκεντρώσεις κατά μήκος της κεντρικής γραμμής του δακτυλιοειδούς πλουμίου, συγκρίνονται με τις πειραματικές μετρήσεις και συμφωνούν αρκετά καλά μεταξύ τους. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια ανάλυση ευαισθησίας σχετικά με τις προβλέψεις του ολοκληρωματικού μοντέλου και συζητούνται ορισμένα πρακτικά θέματα. Από τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας, προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα, τα οποία μπορεί να βοηθήσουν τους επιστήμονες στην καλύτερη κατανόηση του φαινόμενου και να βελτιστοποιήσουν τον σχεδιασμό και την λειτουργία των σχετικών συστημάτων εκροής όταν αυτά λειτουργούν με χαμηλή ορμή ή μηδενική, καθώς το δακτυλιοειδές πλούμιο αποτελεί την οριακή περίπτωση του ισοδύναμου διαχύτη τύπου ροζέτας.