Πειραματική και θεωρητική διερεύνηση φαινομένων ανάμειξης σε τυρβώδη ροϊκά πεδία με στρωματοποίηση και περιστροφή

Abstract

Generation of turbulence using double oscillating grids has many environmental and industrial applications and is widely used by researchers through the world. In the present thesis this kind of turbulence generation is used to study the dispersion and mixing of contaminant in turbulent flow. The experimental setup consists of a pair of grids attached to an eccentric mechanism that provides the nearly sinusoidal motion in the horizontal direction, inside a water tank. Velocity measurements were conducted using an LDA system and it was found that the turbulent flow field is nearly homogeneous and isotropic. Flow visualization was achieved using LIF method in order to study contaminant dispersion. Mixing time of contaminant was found to decrease with turbulent intensity. An exponential time dependency of cloud radius (rad) was calculated for various turbulent intensities. The dispersion of contaminant (dye tracer) in rectangular cavities inside the water tank was studied using the LIF method. The flow field inside the cavities was measured with LDA, and it was found that the size of cavities affects turbulence penetration in the cavities. Influence of buoyant forces in the dispersion and mixing of contaminant inside the cavities was examined using dye tracer dilutions of various densities. Finally, the dispersion of contaminant by rotational and buoyant forces was examined inside a circular cavity that was placed on the bottom of the tank. Rotation wad achieved using a cylindrical shaped magnet that rotates through a magnetic stirrer. The whole experiment was monitored with flow visualization method. It was found that rotation affects dispersion in low turbulent intensities.

Η παραγωγή τύρβης μέσω παλλόμενων πλεγμάτων για τη μελέτη διάφορων φαινομένων που έχουν περιβαλλοντικές και βιομηχανικές εφαρμογές, χρησιμοποιείται ευρέως τα τελευταία χρόνια από την ερευνητική κοινότητα. Στην παρούσα διατριβή, ο συγκεκριμένος τρόπος παραγωγής τύρβης χρησιμοποιείται για τη μελέτη διάχυσης και ανάμιξης ουσιών στην παραγόμενη τυρβώδη ροή. Συγκεκριμένα, κατασκευάστηκε διάταξη για την παραγωγή τύρβης, η οποία αποτελείται από ταλαντωτή με χρήση ηλεκτροκινητήρα ο οποίος θέτει σε κίνηση δύο πλέγματα που ταλαντώνονται στην οριζόντια διεύθυνση μέσα σε υδροδεξαμενή. Μετρήθηκε το ροΐκό πεδίο που παράγεται με το σύστημα LDA (Laser Doppler Anemometer) και διαπιστώθηκε ότι προσεγγίζει ομογενή και ισότροπη τύρβη. Μελετήθηκε η διάχυση ουσιών οι οποίες εκλύονται στην τυρβώδη ροή, χωρίς αρχική ταχύτητα, με τη μέθοδο της οπτικοποίησης της ροής. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες μέθοδοι οπτικοποίησης και τελικά η μέθοδος LIF (Laser Induced Fluorescence) απέδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα. Ο χρόνος διασποράς των ουσιών βρέθηκε ότι μειώνεται με την ένταση της τύρβης. Υπολογίστηκε η χρονική μεταβολή της ακτίνας του ρύπου για διάφορες εντάσεις τύρβης και διαπιστώθηκε μια εκθετική σχέση ακτίνας χρόνου, η οποία δεν απέχει πολύ από την αντίστοιχη σχέση που προτείνει η θεωρία Taylor για τη διάχυση ουσιών μέσα σε τυρβώδη ροή. Μελετήθηκε η διασπορά ουσιών μέσα σε ορθογωνικές κοιλότητες οι οποίες ήταν τοποθετημένες μέσα στη δεξαμενή στο χώρο ανάμεσα στα πλέγματα με τη μέθοδο LIF. Αρχικά μετρήθηκε το ροΐκό πεδίο μέσα στις κοιλότητες και διαπιστώθηκε ότι το μέγεθος των κοιλοτήτων επηρεάζει την ένταση της τύρβης που εισέρχεται σε αυτές. Στη συνέχεια μελετήθηκε η διασπορά και ανάμιξη ουσιών στις κοιλότητες υπό την επίδραση ανωστικών δυνάμεων, με τη χρήση διαλυμάτων διαφορετικής πυκνότητας. Αναλύθηκε ο μηχανισμός με τον οποίο γίνεται η ανάμιξη των ουσιών στο εσωτερικό των κοιλοτήτων. Τέλος, μελετήθηκε η διασπορά ουσιών μέσα σε κυκλική κοιλότητα η οποία τοποθετήθηκε στον πυθμένα της δεξαμενής, υπό την επίδραση ανωστικών και περιστροφικών δυνάμεων με τη μέθοδο της οπτικοποίησης της ροής. Η εισαγωγή περιστροφικών δυνάμεων έγινε με τη χρήση μαγνήτη ο οποίος περιστρέφεται με τη βοήθεια μαγνητικού αναδευτήρα. Διαπιστώθηκε ότι η περιστροφή επιδρά στο χρόνο διασποράς, στις μικρές συχνότητες ταλάντωσης των πλεγμάτων, δηλαδή για χαμηλή ένταση τύρβης.