Πειραματικός και υπολογιστικός προσδιορισμός πεδίου ταχυτήτων ροής ρευστού (νερού) σε ανοικτό αγωγό, λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών

Abstract

Ιn this Ph.D. thesis the effect of thermal and cooling load on a fluid-water surface is investigated. Experiments were conducted for the study of the temperature field of water, when a part of the surface receives, in one case, a heat load (radiation), while in the other case, a cooling load (convection). The experiments were carried out in an open channel of constant horizontal slope with 10m length and 0.50m width. The channel is filled with water to various depths such as 5cm, 10cm, 15cm, and 20cm.Initially, the effect of the thermal load on the water surface is investigated, where the radiation value is regulated with the help of a thermostat. Then the effect of cooling load (by convection) on the water surface is investigated.This field will be time-varying until the moment when thermal equilibrium is established, and it becomes permanent. More specifically, the calculation of the velocity fields and the profile of the thermal/cold wedge is carried out by pouring the dye near the initial position of the experiment in a vertical cross-section from the bed to the free surface (at almost zero velocity). During pouring, the motion of the dye is videotaped by three cameras (with the simultaneous start of recording) placed at three fixed points.This phenomenon produces velocities that were measured in a two-dimensional field (2D) with the help of rhodamine dye. This method determines the field of fluid velocities at various times in selected areas. With this method, the motion of the dye along the x-axis in the unit of time is determined (video copy 25 frames/sec). Then the recording (video) is processed using the Abode Premiere program. Then, using code through MatLAB, the velocity profiles are calculated, where the motion coordinates is produced in pixels along the X-axis.The density of water was measured with a laboratory hydrometer. A waterproof precision digital thermometer with a spike is used to measure the temperature field. The results showed that velocities developed by thermal radiation (heating) are lower than those developed by convection (cooling). With the development of a mathematical model, the experimental results were compared with numerical results. For this effort, a programming language was used in the source code of the 3rd generation (High level_ Fortran 90 (Microsoft PowerStation program) and the surfer program for displaying the results.The idea of this project considered the bibliographic research carried out in Greece and internationally. The transfer of the natural phenomenon under a laboratory scale is also a first in the hydraulic field, as according to the bibliographic research, it was found that there is no similar study in the area. This specific study aims to understand the hydraulic phenomenon, i.e., the study of the velocity fields that developed in water and the determination of the length of its mass transfer exclusively and only under the influence of thermal or cooling load. Future proposals include other parameters, such as vegetation, the presence of salinity, etc.

Το υδραυλικό φαινόμενο που διερευνάται στην παρούσα διατριβή είναι η επίδραση της θερμικού και του ψυκτικού φορτίου σε επιφάνεια ρευστού (νερού). Τα πειράματα αφορούν στη μελέτη θερμοκρασιακού πεδίου νερού, όταν ένα τμήμα της επιφάνειάς του δέχεται στην μία περίπτωση θερμικό φορτίο (ακτινοβολία) και στην άλλη περίπτωση ψυκτικό φορτίο (συναγωγή). Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε ανοικτό κανάλι σταθερής οριζόντιας κλίσεως μήκους δέκα (10)m και πλάτους μισού (0,50)m. Η πλήρωση του καναλιού με νερό πραγματοποιείται σε διάφορα βάθη των 5,10,15 και 20 cm.Αρχικά διερευνάται η επίδραση της θερμικού φορτίου στην επιφάνεια του νερού όπου η τιμή της ακτινοβολίας ρυθμίζεται με την βοήθεια ροοστάτη. Στη συνέχεια διερευνάται η επίδραση ψυκτικού φορτίου (με συναγωγή) στην επιφάνεια του νερού. Από το φαινόμενο αυτό παράγονται ταχύτητες οι οποίες μετρήθηκαν σε διδιάστατο πεδίο (2D) με τη βοήθεια χρωστικής ουσίας ροδαμίνης (rhodamine). Με την μέθοδο αυτή προσδιορίζεται το πεδίο ταχυτήτων του ρευστού σε διάφορες χρονικές στιγμές και σε επιλεγόμενες περιοχές. Το πεδίο αυτό θα είναι χρονικά μεταβαλλόμενο μέχρι την χρονική στιγμή που θα δημιουργηθεί θερμική ισορροπία και θα γίνει μόνιμο. Πιο συγκεκριμένα ο υπολογισμός των πεδίων ταχυτήτων καθώς και του προφίλ της θερμικής/ψυχρής σφήνας, πραγματοποιείται με την έκχυση της χρωστικής ουσίας κοντά στην αρχική θέση του πειράματος σε κατακόρυφη διατομή από τον πυθμένα έως την ελεύθερη επιφάνεια (με μηδενική ταχύτητα). Κατά την διάρκεια έκχυσης πραγματοποιείται βιντεοσκόπηση της κίνησης της χρωστικής από τρεις κάμερες (με ταυτόχρονη έναρξη καταγραφής) τοποθετημένες σε τρία σταθερά σημεία. Με την μέθοδο αυτή προσδιορίζεται η μετακίνηση της χρωστικής κατά τον άξονα Χ (κατά μήκος του καναλιού) στην μονάδα του χρόνου (βιντεοσκόπηση 25 frames/sec). Ακολούθως πραγματοποιείται επεξεργασία της καταγραφής (video) με την χρήση του προγράμματος Abode Premiere και στην συνέχεια με την χρήση κώδικα μέσω MatLAB σχεδιάζονται τα προφίλ της μετακίνησης, όπου παράγονται οι συντεταγμένες μετακίνησης σε pixels κατά τον άξονα Χ.Για την μέτρηση του θερμοκρασιακού πεδίου χρησιμοποιήθηκε αδιάβροχο ψηφιακό θερμόμετρο ακριβείας με ακίδα. Η πυκνότητα του νερού μετρήθηκε με εργαστηριακό πυκνόμετρο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ταχύτητες που αναπτύσσονται με θερμική ακτινοβολία (θέρμανση) είναι μικρότερες σε σχέση με αυτές που αναπτύσσονται με συναγωγή (ψύξη).Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη μαθηματικού μοντέλου με σκοπό τη σύγκριση υπολογιστικών και πειραματικών αποτελεσμάτων. Για την προσπάθεια αυτή χρησιμοποιήθηκε γλώσσα προγραμματισμού σε πηγαίο (source) κώδικα 3ης γενιάς (Υψηλού επιπέδου_ Fortran 90 - πρόγραμμα Microsoft PowerStation) και το πρόγραμμα surfer απεικόνισης των αποτελεσμάτων.Η ιδέα του όλου εγχειρήματος έλαβε υπόψη την βιβλιογραφική έρευνα που πραγματοποιήθηκε τόσο στο Ελλαδικό όσο και στο Διεθνή χώρο. Επίσης η μεταφορά του φυσικού φαινομένου υπό εργαστηριακή κλίμακα αποτελεί μία πρωτοτυπία στον υδραυλικό χώρο, καθώς σύμφωνα με την βιβλιογραφική έρευνα διαπιστώθηκε ότι δεν υπάρχει παρόμοια μελέτη στον χώρο. Η συγκεκριμένη μελέτη έχει ως στόχο την κατανόηση του υδραυλικού φαινομένου, δηλαδή την μελέτη των πεδίων ταχυτήτων που αναπτύσσονται στο νερό, καθώς και τον προσδιορισμό του μήκους μεταφοράς της μάζας του αποκλειστικά και μόνο υπό την επίδραση θερμικού ή ψυκτικού φορτίου. Σε μελλοντικές προτάσεις εντάσσονται η ένταξη και άλλων παραμέτρων στην μελέτη του φαινομένου, όπως βλάστηση, ύπαρξη αλατότητας κ.α.