Плюм (гидродинамика)

Column of one fluid moving through another

Контролируемое сжигание масла, создающее дымовой шлейф

В гидродинамике струя или колонна — это вертикальное тело одной жидкости, движущейся сквозь другую. Несколько эффектов управляют движением жидкости, включая импульс (инерцию), диффузию и плавучесть (разницу в плотности). Чистые струи и чистые струи определяют потоки, которые полностью управляются эффектами импульса и плавучести соответственно. Потоки между этими двумя пределами обычно описываются как вынужденные струи или плавучие струи. «Плавучесть определяется как положительная», когда при отсутствии других сил или начального движения входящая жидкость будет иметь тенденцию подниматься. Ситуации, когда плотность жидкости струи больше, чем ее окружение (т. е. в неподвижных условиях ее естественная тенденция будет заключаться в погружении), но поток имеет достаточный начальный импульс, чтобы переносить ее на некоторое расстояние вертикально, описываются как отрицательно плавучие. ^[1]

Движение

Обычно, когда струя удаляется от источника, она расширяется из-за захвата окружающей жидкости на ее краях. На формы струи может влиять течение в окружающей жидкости (например, если локальный ветер, дующий в том же направлении, что и струя, приводит к образованию сопутствующей струи). Это обычно приводит к тому, что струя, которая изначально была «плавучей» доминирующей, становится «импульсной доминирующей» (этот переход обычно предсказывается безразмерным числом, называемым числом Ричардсона ).

Поток и обнаружение

Еще одним важным явлением является то, имеет ли струя ламинарный или турбулентный поток . Обычно происходит переход от ламинарного к турбулентному по мере того, как струя удаляется от своего источника. Это явление можно четко увидеть в поднимающемся столбе дыма от сигареты. Когда требуется высокая точность, для моделирования струй может использоваться вычислительная гидродинамика (CFD), но результаты могут быть чувствительны к выбранной модели турбулентности . CFD часто применяется для ракетных струй , где в дополнение к газообразным компонентам могут присутствовать компоненты конденсированной фазы. Эти типы моделирования могут стать довольно сложными, включая дожигание и тепловое излучение , и (например) запуски баллистических ракет часто обнаруживаются путем обнаружения горячих ракетных струй.

Конструкторы космических аппаратов иногда обеспокоены попаданием струй двигателей систем ориентации на чувствительные подсистемы, такие как солнечные батареи и системы слежения за звездами , или попаданием струй ракетных двигателей на поверхности луны или планет, где они могут вызвать локальные повреждения или даже среднесрочные возмущения планетарных атмосфер .

Другое явление, которое также можно ясно увидеть в потоке дыма от сигареты, заключается в том, что передняя кромка потока, или начальный шлейф, довольно часто имеет форму кольцевого вихря ( дымового кольца ). ^[2]

Типы

Загрязнители, выброшенные на землю, могут проникать в грунтовые воды , что приводит к загрязнению грунтовых вод . Образующийся объем загрязненной воды в водоносном горизонте называется шлейфом, а его мигрирующие края называются фронтами шлейфа. Шлейфы используются для обнаружения, картирования и измерения загрязнения воды в пределах всего водоносного горизонта, а фронты шлейфа — для определения направлений и скорости распространения загрязнения в нем. ^[3]

Шлейфы имеют большое значение в моделировании атмосферной дисперсии загрязнения воздуха . Классическая работа на тему шлейфов загрязнения воздуха принадлежит Гэри Бриггсу. ^{[4] [5]}

Термический шлейф — это шлейф, который создается газом, поднимающимся над источником тепла. Газ поднимается, потому что тепловое расширение делает теплый газ менее плотным, чем окружающий его более холодный газ.

Простое моделирование шлейфа

Простое моделирование позволит исследовать многие свойства полностью развитых турбулентных струй. ^[6] Многие из классических аргументов масштабирования были разработаны в комбинированном аналитическом и лабораторном исследовании, описанном в влиятельной статье Брюса Мортона , Г. И. Тейлора и Стюарта Тернера ^[7] , а эта и последующая работа описаны в популярной монографии Стюарта Тернера. ^[8]

1. Обычно достаточно предположить, что градиент давления задается градиентом вдали от струи (это приближение похоже на обычное приближение Буссинеска ).
2. Распределение плотности и скорости по всему шлейфу моделируется либо с помощью простых гауссовых распределений , либо принимается равномерным по всему шлейфу (так называемая модель «цилиндр»).
3. Скорость вовлечения в струю пропорциональна локальной скорости. ^[7] Хотя изначально считалось, что это постоянная величина, недавние исследования показали, что коэффициент вовлечения меняется в зависимости от локального числа Ричардсона. ^[9] Типичные значения коэффициента вовлечения составляют около 0,08 для вертикальных струй и 0,12 для вертикальных, плавучих струю, в то время как для изогнутых струю коэффициент вовлечения составляет около 0,6.
4. Уравнения сохранения массы (включая увлечение), а также потоков импульса и плавучести достаточны для полного описания потока во многих случаях. ^{[7] [10]} Для простого восходящего потока эти уравнения предсказывают, что поток будет расширяться под постоянным полууглом примерно от 6 до 15 градусов.

Значение коэффициента увлечения является ключевым параметром в простых моделях струи. Продолжаются исследования по оценке того, как коэффициент увлечения зависит, например, от геометрии струи ^[11], взвешенных частиц в струе ^[12] и фонового вращения. ^[13]

Моделирование гауссовского шлейфа

Модели гауссовского шлейфа можно использовать в нескольких сценариях динамики жидкости для расчета распределения концентрации растворенных веществ, таких как выброс дымовой трубы или выброс загрязняющих веществ в реку. Гауссовские распределения устанавливаются с помощью фикковской диффузии и следуют гауссовому (колоколообразному) распределению. ^[14] Для расчета ожидаемой концентрации одномерного мгновенного точечного источника мы рассматриваем массу, высвобождаемую 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, высвобождаемая в момент времени 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 посредством диффузии.
4. Диффузия не меняется в пространстве. ^[14]

Галерея

Перья

• 
  Паровые шлейфы из промышленных источников
• 
  Большой поток естественной конвекции
• 
  Ядерный взрыв может привести к образованию грибовидного теплового шлейфа .

Смотрите также

• Моделирование атмосферной дисперсии
  • Библиография по моделированию атмосферной дисперсии
  • Схема распространения загрязнения воздуха
• Криовулкан
• Энцелад — спутник планеты Сатурн
• Извержение вулкана , выброс вулканического газа и пепла в атмосферу.
• Мантийный плюм , подъем расплавленной породы в мантии Земли.
• Шлейф влаги или атмосферная река , узкий коридор концентрированного влажного воздуха.

Ссылки

1. Тернер, Дж. С. (1979), «Эффекты плавучести в жидкостях», Гл. 6, стр. 165--&, Cambridge University Press
2. Тернер, Дж. С. (1962). Начальный шлейф в нейтральной среде , J. Fluid Mech. том 13, стр. 356-368
3. Феттер, CW Jr 1998 Гидрогеология загрязняющих веществ
4. Бриггс, Гэри А. (1975). Прогнозы подъема шлейфа , Глава 3 в Лекциях по анализу загрязнения воздуха и воздействия на окружающую среду , Дуэнн А. Хауген, редактор, Amer. Met. Soc.
5. Бейчок, Милтон Р. (2005). Основы рассеивания дымовых газов (4-е изд.). Автор-издатель. ISBN 0-9644588-0-2.
6. Scase, MM, Caulfield, CP, Dalziel, SB & Hunt, JCR (2006). Зависящие от времени струи и струи с уменьшающейся интенсивностью источника , J. ​​Fluid Mech. том 563, стр. 443-461
7. Мортон, BR, Тернер, JS, и Тейлор, GI (1956), Турбулентная гравитационная конвекция от поддерживаемых и мгновенных источников , P. Roy. Soc. Lond., т. 234, стр. 1--&
8. Тернер, Дж. С .; Тернер, Джон Стюарт (1979-12-20). Эффекты плавучести в жидкостях. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-29726-4.
9. Камински, Э. Тейт, С. и Караццо, Г. (2005), Турбулентное вовлечение в струях с произвольной плавучестью , J. Fluid Mech., т. 526, стр. 361--376
10. Вудс, AW (2010), Турбулентные струи в природе , Annu. Rev. 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. Bibcode : 2022JFM...934A..11R. doi : 10.1017/jfm.2021.1070 . S2CID  245908780.
12. МакКонночи, Крейг Д.; Сенедезе, Клаудия; МакЭлвейн, Джим Н. (23 декабря 2021 г.). «Вовлечение в турбулентные струи, нагруженные частицами». Physical Review Fluids . 6 (12): 123502. arXiv : 2109.01240 . Bibcode : 2021PhRvF...6l3502M. doi : 10.1103/PhysRevFluids.6.123502. S2CID  237416756.
13. Fabregat Tomàs, Alexandre; Poje, Andrew C.; Özgökmen, Tamay M.; Dewar, William K. (август 2016 г.). «Влияние вращения на турбулентные плавучие струи в стратифицированных средах». Journal of Geophysical Research: Oceans . 121 (8): 5397–5417. Bibcode : 2016JGRC..121.5397F. doi : 10.1002/2016JC011737 .
14. Connolly, Paul. "Gaussian Plume Model". personalpages.manchester.ac.uk . Получено 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 перенос в потоках окружающей среды . Калифорнийский университет в Беркли.