Τυρβώδης ροή σταγονιδίων σε στρωματοποιημένο θερμοκρασιακό πεδίο

Thumbnail Image
Date
2014-05-27
Authors
Βούρος, Ανδρέας
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την πειραματική διερεύνηση της αλληλεπίδρασης δέσμης εκροής νέφους σταγονιδίων νερού με το θερμικά στρωματοποιημένο,τυρβώδες ρευστο-θερμικό πεδίο που αναπτύσσεται πάνω από οριζόντια θερμαινόμενη επίπεδη επιφάνεια. Τα φαινόμενα και οι φυσικοί μηχανισμοί που διέπουν την ως άνω αλληλεπίδραση πέρα από τη σημασία τους σε σχέση με τη βασική έρευνα στο πεδίο των ρευστοθερμικών φαινομένων, παρουσιάζουν ενδιαφέρον σε πληθώρα πρακτικών προβλημάτων όπως κατά τον ψεκασμό καυσίμου σε κινητήρες εσωτερικής καύσης και καυστήρες, στη διφασική ψύξη ηλεκτρονικών, στην μετεωρολογία, στην πυρόσβεση, σε διεργασίες απόθεσης και επικάλυψης κ.α. Το ρευστο-θερμικό πεδίο αναπτύσσεται πάνω από οριζόντια θερμαινόμενη επιφάνεια μεταλλικής πλάκας μέσα σε ορθογωνική κοιλότητα με ανοικτή οροφή. Το νέφος σταγονιδίων δημιουργείται σε έναν νεφελοποιητή και εκτοξεύεται μέσα από ένα ακροφύσιο κυλινδρικού σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 4mm, κάθετα προς την οριζόντια επίπεδη επιφάνεια και σε σημαντική απόσταση από αυτήν (50cm), δημιουργώντας αρχικά μια διφασική δέσμη εκροής σταγονιδίων. Για την δημιουργία βάσης δεδομένων αναφοράς, σημαντικό μέρος της εργασίας αναφέρεται στην καταγραφή και μελέτη του θερμικού πεδίου ελεύθερης συναγωγής που δημιουργείται πάνω από τη θερμαινόμενη πλάκα χωρίς την παρουσία σταγονιδίων. Αντίστοιχα μελετήθηκε η ανάπτυξη της δέσμης εκροής σταγονιδίων σε ισοθερμοκρασιακές συνθήκες. Η παραμετρική μελέτη της αλληλεπίδρασης δέσμης εκροής σταγονιδίων και θερμικά στρωματοποιημένου πεδίου πραγματοποιήθηκε για δέσμες σε δύο αριθμούς Reynolds και για δύο ρυθμούς ροής θερμότητας από την πλάκα. Οι αριθμοί Reynolds που επιβάλλονται στη ροή δέσμης του νέφους (mistjet) είναι σχετικά χαμηλοί έτσι ώστε να ισχυροποιηθεί σχετικά η επίδραση του τοιχώματος και κυρίως οι ροϊκές δομές που δημιουργούνται λόγω των ανωστικών δυνάμεων κοντά στη θερμαινόμενη επιφάνεια. Η σύνθετη ροή που παράγεται λόγω της σημαντικής απόστασης μεταξύ του ακροφυσίου και της επίπεδης επιφάνειας - στόχου κατατάσσεται στην κατηγορία των δεσμών εκροής ασθενούς πρόσκρουσης. Οι παράμετροι που εξετάζονται περιλαμβάνουν μέσα και τυρβώδη χαρακτηριστικά τόσο των σταγόνων (μέγεθος και ταχύτητα), όσο και της θερμοκρασιακής κατανομής πάνω από την θερμαινόμενη πλάκα. Το θερμικό πεδίο σε συνθήκες ελεύθερης μεταφοράς και υπό την επίδραση της ροής των σταγονιδίων καταγράφτηκε με τη βοήθεια θερμοζεύγους πολύ μικρών διαστάσεων ώστε να αλλοιώνει όσο το δυνατόν λιγότερο τη ροή. Οι διαστάσεις του αισθητηρίου είναι σημαντικά μικρότερες της κλίμακας μήκους Kolmogorov και επομένως το αισθητήριο κρίθηκε ικανό για την ανάλυση όλων των σχετικών κλιμάκων της ροής. Το πεδίο νέφους σταγονιδίων μελετήθηκε με την τεχνική Ανεμομετρίας Φάσης Doppler (PhaseDopplerAnemometry - PDA) η οποία επιτρέπει την μέτρηση τόσο της ταχύτητας όσο και του μεγέθους των σταγονιδίων παρέχοντας τη δυνατότητα συσχέτισης των δύο μεγεθών για τον ενδελεχή χαρακτηρισμό της συμπεριφοράς των σταγονιδίων. Η τεχνική αυτή είναι μια από τις λίγες μη παρεμβατικές μεθόδους σημειακών μετρήσεων σε διφασικά ροϊκά πεδία η οποία δίνει πληροφορία για τη συγκέντρωση και την παροχή, με την τελευταία να αποτελεί σημαντικό εργαλείο στον υπολογισμό της εξάτμισης. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων κατά την αλληλεπίδραση των πεδίων (θερμικού και σταγονιδίων) μελετώνται και συγκρίνονται με τις συνθήκες αναφοράς της στρωματοποιημένης ροής του θερμοκρασιακού πεδίου και της ισόθερμης ροής του πεδίου ταχυτήτων δίνοντας πληροφορία για την επίδραση του νέφους σταγονιδίων στους μηχανισμούς τυρβώδους μεταφοράς. Αναγνωρίστηκε ως κυρίαρχη δομή του πεδίου συναγωγής το κινούμενο πλούμιο συχνά μορφής μανιταριού. Η μορφή των κατανομών πυκνότητας πιθανότητας (PDF) ερμηνεύθηκε σε σχέση με το ιστορικό δημιουργίας και ανταλαγών θερμότητας των επί μέρους αερίων μαζών που διέρχοτναι από τη θέση μέτρησης. Στις κατανομές φασματικής ισχύος (PSD) του σήματος της θερμοκρασίας αναγνωρίσθηκε ιδιοσυχνότηταπου υποδεικνύει την παρουσία δομής μεγάλης κλίμακας. Αναφορικά με το πεδίο σταγονιδίων παρατηρήθηκε ότι η παρουσία της επιφάνειας – στόχου επιβραδύνει τις δέσμες πρόσπτωσης ελαττώνοντας και τις διακυμάνσεις στην περιοχή του τοιχώματος. Η θέρμανση επηρεάζει τις μέσες και κυμαινόμενες ταχύτητες σε σημαντική απόσταση από την οριζόντια πλάκα, ενώ το μέγεθος των σταγονιδίων μειώνεται κατάντη της ροής με διαφορετικές τάσεις ως προς τον Re. Αυξημένες τιμές της μέσης διαμέτρου Sauter (D32) παρατηρούνται κοντά στην επιφάνεια ειδικά για την περίπτωση ισόθερμου ψεκασμού του υψηλότερου Re. Η θέρμανση της επιφάνειας έχει σημαντική επίπτωση στον περιορισμό της αυξητικής τάσης της παροχής αέρα λόγω συμπαράσυρσης, που είναι πιο εμφανής στις περιπτώσεις χαμηλού Re.
Description
Keywords
Tυρβώδης ροή σταγονιδίων, Θερμική τύρβη, Εξάτμιση σταγονιδίων, Ανεμομετρία φάσης Doppler, Δέσμη πρόσπτωσης, Εξατμιστική ψύξη
Citation