Шлейф (гидродинамика)

Column of one fluid moving through another

Контролируемое горение масла с образованием дымового шлейфа

В гидродинамике шлейф или столб — это вертикальное тело одной жидкости, движущееся через другую . Движение жидкости контролируется несколькими эффектами, включая импульс (инерцию), диффузию и плавучесть (разницу в плотности). Чистые струи и чистые шлейфы определяют потоки, которые полностью управляются эффектами импульса и плавучести соответственно. Потоки между этими двумя пределами обычно описываются как вынужденные шлейфы или плавучие струи. «Плавучесть определяется как положительная», когда в отсутствие других сил или начального движения поступающая жидкость имеет тенденцию подниматься. Ситуации, когда плотность жидкости шлейфа превышает плотность окружающей среды (т. е. в неподвижных условиях его естественная тенденция заключалась бы в том, чтобы опускаться), но поток имеет достаточный начальный импульс, чтобы перенести его на некоторое расстояние по вертикали, описываются как отрицательная плавучесть. ^[1]

Движение

Обычно по мере удаления от источника шлейф расширяется за счет увлечения окружающей жидкости по его краям. На форму шлейфа может влиять поток окружающей среды (например, если местный ветер, дующий в том же направлении, что и шлейф, приводит к образованию встречной струи). Обычно это приводит к тому, что шлейф, в котором изначально «преобладала плавучесть», становится «преобладающим по импульсу» (этот переход обычно предсказывается безразмерным числом, называемым числом Ричардсона ).

Поток и обнаружение

Еще одним важным явлением является то, имеет ли шлейф ламинарный или турбулентный поток . Обычно по мере удаления шлейфа от источника происходит переход от ламинарного режима к турбулентному. Это явление хорошо видно по поднимающемуся столбу дыма от сигареты. Когда требуется высокая точность, для моделирования шлейфов можно использовать вычислительную гидродинамику (CFD), но результаты могут быть чувствительны к выбранной модели турбулентности . CFD часто применяется для шлейфов ракет , где помимо газообразных компонентов могут присутствовать компоненты конденсированной фазы. Эти типы моделирования могут быть довольно сложными, включая догорание и тепловое излучение , и (например) запуски баллистических ракет часто обнаруживаются путем обнаружения горячих шлейфов ракет.

Конструкторы космических кораблей иногда обеспокоены попаданием шлейфов двигателей системы ориентации на чувствительные подсистемы, такие как солнечные батареи и системы отслеживания звезд , или попаданием шлейфов ракетных двигателей на поверхности Луны или планет, где они могут вызвать локальные повреждения или даже среднесрочные нарушения планетарной системы . атмосферы .

Другое явление, которое также можно ясно увидеть в потоке дыма от сигареты, состоит в том, что передняя кромка потока, или стартовый шлейф, нередко имеет примерно форму кольца-вихря ( дымового кольца ). ^[2]

Типы

Загрязняющие вещества , попадающие в почву, могут проникнуть в грунтовые воды , что приводит к загрязнению грунтовых вод . Образующийся в результате объем загрязненной воды внутри водоносного горизонта называется шлейфом, а его мигрирующие края называются фронтами шлейфа. Шлейфы используются для определения местоположения, картирования и измерения загрязнения воды в пределах всего водоносного горизонта, а фронты шлейфов используются для определения направления и скорости распространения загрязнения в нем. ^[3]

Шлейфы играют важную роль в моделировании атмосферного рассеяния загрязнения воздуха . Классической работой на тему шлейфов загрязнения воздуха является работа Гэри Бриггса. ^{[4] [5]}

Тепловой шлейф – это шлейф, который образуется при подъеме газа над источником тепла. Газ поднимается, потому что тепловое расширение делает теплый газ менее плотным, чем окружающий более холодный газ.

Простое моделирование шлейфа

Простое моделирование позволит исследовать многие свойства полностью развитых турбулентных шлейфов. ^[6] Многие из классических аргументов масштабирования были разработаны в результате комбинированного аналитического и лабораторного исследования, описанного во влиятельной статье Брюса Мортона , Дж. Тейлора и Стюарта Тернера ^[7] , а эта и последующие работы описаны в популярной монографии Стюарта Тернера. ^[8]

1. Обычно достаточно предположить, что градиент давления задается градиентом вдали от шлейфа (это приближение аналогично обычному приближению Буссинеска ).
2. Распределение плотности и скорости по шлейфу моделируется либо с помощью простых распределений Гаусса , либо принимается равномерным по всему шлейфу (так называемая модель «цилиндра»).
3. Скорость вовлечения в шлейф пропорциональна местной скорости. ^[7] Хотя первоначально считалось, что коэффициент увлечения является константой, недавняя работа показала, что коэффициент увлечения изменяется в зависимости от локального числа Ричардсона. ^[9] Типичные значения коэффициента уноса составляют около 0,08 для вертикальных струй и 0,12 для вертикальных плавучих шлейфов, тогда как для изогнутых шлейфов коэффициент уноса составляет около 0,6.
4. Уравнения сохранения массы (включая унос), потоков импульса и плавучести во многих случаях достаточны для полного описания течения. ^{[7] [10]} Для простого поднимающегося шлейфа эти уравнения предсказывают, что шлейф будет расширяться под постоянным полууголом примерно от 6 до 15 градусов.

Значение коэффициента увлечения является ключевым параметром в простых моделях шлейфа. Продолжаются исследования по оценке того, как на коэффициент уноса влияют, например, геометрия шлейфа, ^[11] взвешенные частицы внутри шлейфа, ^[12] и фоновое вращение. ^[13]

Моделирование гауссовского шлейфа

Модели гауссовского шлейфа можно использовать в нескольких сценариях гидродинамики для расчета распределения концентрации растворенных веществ, таких как выбросы дымовой трубы или загрязняющие вещества, выброшенные в реку. Распределение Гаусса устанавливается диффузией Фика и соответствует распределению Гаусса (колокольчатому). ^[14] Для расчета ожидаемой концентрации одномерного мгновенного точечного источника мы рассматриваем массу, выпущенную в мгновенный момент времени, в одномерной области вдоль . Это даст следующее уравнение: ^[15] ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle x}$

${\displaystyle C(x,t)={\frac {M}{\sqrt {4\pi Dt}}}\exp \left({\frac {(x-x_{0})^{2}}{4D(t-t_{0})}}\right)}$

где - масса, высвободившаяся во время и в месте , и - коэффициент диффузии . Это уравнение делает следующие четыре предположения: ^[16] ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle t=t_{0}}$ ${\displaystyle x=x_{0}}$ ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle \left[{\frac {{\text{m}}^{2}}{\text{s}}}\right]}$

1. Масса высвобождается мгновенно. ${\displaystyle M}$
2. Масса высвобождается в бесконечной области. ${\displaystyle M}$
3. Масса распространяется только за счет диффузии.
4. Диффузия не меняется в пространстве. ^[14]

Галерея

шлейфы

• 
  Паровые шлейфы от промышленных источников
• 
  Большой шлейф естественной конвекции
• 
  Ядерный взрыв может создать тепловой шлейф грибовидной формы .

Смотрите также

• Терминология рассеивания загрязнения воздуха
• Моделирование атмосферной дисперсии
• Библиография моделирования атмосферной дисперсии
• Криовулкан
• Энцелад – спутник планеты Сатурн
• Столбец извержения

Рекомендации

1. Тернер, Дж. С. (1979), «Эффекты плавучести в жидкостях», глава 6, стр. 165 --&, Cambridge University Press
2. Тернер, Дж. С. (1962). Стартовый шлейф в нейтральной среде , J. Fluid Mech. том 13, стр. 356-368
3. Феттер, К.В. младший, 1998 г., гидрогеология загрязнителей.
4. Бриггс, Гэри А. (1975). Прогнозы повышения шлейфа , глава 3 в лекциях по загрязнению воздуха и анализу воздействия на окружающую среду , Дуэнн А. Хауген, редактор, Amer. Встретил. Соц.
5. Бейчок, Милтон Р. (2005). Основы рассеивания дымовых газов (4-е изд.). опубликовано автором. ISBN 0-9644588-0-2.
6. Скейс, М.М., Колфилд, С.П., Далзиел, С.Б. и Хант, JCR (2006). Зависящие от времени шлейфы и струи с уменьшающейся силой источника , J. ​​Fluid Mech. том 563, стр. 443-461
7. Мортон, Б.Р., Тернер, Дж.С., и Тейлор, Г.И. (1956), Турбулентная гравитационная конвекция от постоянных и мгновенных источников , П. Рой. Соц. Лондон., том. 234, стр.1--&
8. Тернер, Дж. С .; Тернер, Джон Стюарт (20 декабря 1979 г.). Эффекты плавучести в жидкостях. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-29726-4.
9. Камински, Э. Тейт, С. и Караццо, Г. (2005), Турбулентный унос в струях с произвольной плавучестью , J. Fluid Mech., vol. 526, стр. 361--376
10. Вудс, AW (2010), Турбулентные шлейфы в природе , Анну. Преподобный Fluid Mech., Vol. 42, стр. 391--412.
11. Ричардсон, Джеймс; Хант, Гэри Р. (10 марта 2022 г.). «Каков коэффициент увлечения чистого турбулентного линейного шлейфа?». Журнал механики жидкости . 934 . Бибкод : 2022JFM...934A..11R. дои : 10.1017/jfm.2021.1070 . S2CID  245908780.
12. МакКонночи, Крейг Д.; Сенедезе, Клаудия; МакЭлвейн, Джим Н. (23 декабря 2021 г.). «Вовлечение в турбулентные шлейфы, наполненные частицами». Физический обзор жидкостей . 6 (12): 123502. arXiv : 2109.01240 . Бибкод : 2021PhRvF...6l3502M. doi : 10.1103/PhysRevFluids.6.123502. S2CID  237416756.
13. Фабрегат Томас, Александр; Поже, Эндрю К.; Озгёкмен, Тамай М.; Дьюар, Уильям К. (август 2016 г.). «Влияние вращения на турбулентные плавучие шлейфы в стратифицированной среде». Журнал геофизических исследований: Океаны . 121 (8): 5397–5417. Бибкод : 2016JGRC..121.5397F. дои : 10.1002/2016JC011737 .
14. Коннолли, Пол. «Модель Гауссова шлейфа». Personalpages.manchester.ac.uk . Проверено 25 апреля 2017 г.
15. Хайди Непф. 1.061 Транспортные процессы в окружающей среде. Осень 2008 г. Массачусетский технологический институт: MIT OpenCourseWare, https://ocw.mit.edu Лицензия: Creative Commons BY-NC-SA.
16. Вариано, Эван. Массовый транспорт в экологических потоках . Калифорнийский университет в Беркли.