Плюм (гидродинамика)

Контролируемое сжигание масла с образованием шлейфа дыма

В гидродинамике , А шлейф или столбец представляет собой вертикальное тело одного перемещения текучей среды через другую. Несколько эффектов управляют движением жидкости, включая импульс (инерцию), диффузию и плавучесть (разницу плотностей). Чистые струи и чистые шлейфыопределяют потоки, которые полностью управляются эффектами импульса и плавучести, соответственно. Потоки между этими двумя пределами обычно описываются как форсированные шлейфы или плавучие струи. «Плавучесть определяется как положительная», когда в отсутствие других сил или начального движения входящая жидкость будет иметь тенденцию подниматься. Ситуации, когда плотность текучей среды плюма больше, чем ее окружение (т.е. в неподвижных условиях, его естественная тенденция будет заключаться в опускании), но поток имеет достаточный начальный импульс, чтобы нести его на некоторое расстояние по вертикали, описываются как имеющие отрицательную плавучесть. ^[1]

Движение [ править ]

Обычно, когда шлейф удаляется от своего источника, он расширяется из-за уноса окружающей жидкости по его краям. На форму шлейфа может влиять поток в окружающей жидкости (например, если местный ветер, дующий в том же направлении, что и шлейф, вызывает сопутствующую струю). Это обычно приводит к тому, что шлейф, в котором изначально «преобладала плавучесть», становится «доминирующим по импульсу» (этот переход обычно предсказывается безразмерным числом, называемым числом Ричардсона ).

Поток и обнаружение [ править ]

Еще одно важное явление заключается в том, имеет ли факел ламинарное или турбулентное течение . Обычно наблюдается переход от ламинарного к турбулентному, когда шлейф удаляется от своего источника. 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 ракетных шлейфов , где компоненты конденсированной фазы могут присутствовать в дополнение к газообразным компонентам. Эти типы моделирования могут быть довольно сложными, включая дожигание и тепловое излучение., и (например) запуски баллистических ракет часто обнаруживаются путем обнаружения шлейфов горячих ракет. Точно так же менеджеры космических кораблей иногда обеспокоены воздействием струи двигателя системы управления ориентацией на чувствительные подсистемы, такие как солнечные батареи и звездные трекеры.

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

Типы [ править ]

Выбросы загрязняющих веществ в землю могут проникать в грунтовые воды , что приводит к загрязнению грунтовых вод . Образующийся в результате объем загрязненной воды в водоносном горизонте называется шлейфом, а его мигрирующие края - фронтами шлейфа. Шлейфы используются для определения местоположения, картирования и измерения загрязнения воды в пределах всего водоема водоносного горизонта, а фронты шлейфов - для определения направлений и скорости распространения загрязнения в нем. ^[3]

Струи имеют большое значение в моделировании атмосферного дисперсии от загрязнения воздуха . Классическая работа по теме шлейфов загрязнения воздуха - это работа Гэри Бриггса. ^[4]^[5]

Тепловой шлейф является тот , который порождается возвышающимся над источником тепла газом. Газ поднимается вверх, потому что тепловое расширение делает теплый газ менее плотным, чем окружающий более холодный газ.

Простое моделирование шлейфа [ править ]

Довольно простое моделирование позволит исследовать многие свойства полностью сформировавшихся турбулентных шлейфов. ^[6]

Обычно достаточно предположить, что градиент давления задается градиентом вдали от факела (это приближение аналогично обычному приближению Буссинеска ).
Распределение плотности и скорости по шлейфу моделируется либо с помощью простых гауссовых распределений, либо принимается как однородное по шлейфу (так называемая модель «цилиндра»).
Скорость увлечения шлейфом пропорциональна местной скорости. ^[7] Хотя первоначально считалось постоянным, недавняя работа показала, что коэффициент уноса изменяется в зависимости от местного числа Ричардсона. ^[8] Типичные значения коэффициента уноса составляют около 0,08 для вертикальных струй и 0,12 для вертикальных плавучих струй, в то время как для изогнутых струй коэффициент уноса составляет около 0,6.
Уравнения сохранения массы (включая унос), а также потоков импульса и плавучести во многих случаях достаточно для полного описания потока ^[7]^[9] Для простого восходящего шлейфа эти уравнения предсказывают, что шлейф будет расширяться с постоянной половиной. -угол примерно от 6 до 15 градусов.

Моделирование гауссовского шлейфа [ править ]

Модели гауссовского шлейфа можно использовать в нескольких сценариях гидродинамики для расчета распределения концентрации растворенных веществ, таких как выброс дыма или загрязняющее вещество, выбрасываемое в реку. Гауссовские распределения устанавливаются методом диффузии Фика и следуют гауссовскому (колоколообразному) распределению. ^[10] Для расчета ожидаемой концентрации одномерного мгновенного точечного источника мы рассматриваем массу, высвобождаемую в мгновенный момент времени, в одномерной области вдоль . Это даст следующее уравнение: ^[11] ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle x}$

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

где - масса, выделяемая в определенное время и в определенном месте , а - коэффициент диффузии . Это уравнение делает следующие четыре предположения: ^[12] ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle t = t_ {0}}$ ${\ displaystyle x = x_ {0}}$ ${\ displaystyle D}$ ${\ displaystyle \ left [{\ frac {{\ text {m}} ^ {2}} {\ text {s}}} \ right]}$

Масса высвобождается мгновенно. ${\ displaystyle M}$
Масса высвобождается в бесконечной области. ${\ displaystyle M}$
Масса распространяется только путем диффузии.
Распространение в пространстве не меняется. ^[10]

Галерея [ править ]

Плюмы

Паровые шлейфы от промышленных источников
Большой шлейф естественной конвекции
Ядерный взрыв может привести к образованию теплового шлейфа грибовидной формы .

См. Также [ править ]

Терминология рассеивания загрязнения воздуха
Моделирование атмосферной дисперсии
Библиография моделирования атмосферной дисперсии
Криовулкан
Энцелад - спутник планеты Сатурн.
Колонка извержения

Ссылки [ править ]

↑ Turner, JS (1979), «Эффекты плавучести в жидкостях», глава 6, стр.165 - &, Cambridge University Press
^ Тернер, JS (1962). Стартовый шлейф в нейтральном окружении , J. Fluid Mech. Том 13, стр. 356-368
^ Феттер, CW Jr 1998 загрязняющей Гидрогеология
Перейти ↑ Briggs, Gary A. (1975). Прогнозы подъема шлейфа , глава 3 в лекциях по анализу загрязнения воздуха и воздействия на окружающую среду , Дуанн А. Хауген, редактор, Amer. Встретились. Soc.
^ Beychok, Milton R. (2005). Основы диспергирования дымовых газов (4-е изд.). авторская публикация. ISBN 0-9644588-0-2.
^ Scase, MM, Колфилд, CP, Dalziel, SB & Hunt, JCR (2006). Зависящие от времени шлейфы и струи с уменьшающейся мощностью источника , J. Fluid Mech. том 563, стр 443-461
^ a b Мортон, Б. Р., Тернер, Дж. С., и Тейлор, Г. И. (1956), Турбулентная гравитационная конвекция от поддерживаемых и мгновенных источников , П. Рой. Soc. Лонд., Т. 234, стр. 1 - &
^ Камински, Е. Тэйт, С. и Carazzo, Г. (2005), турбулентный унос в струях с произвольной плавучестью , J. Fluid Mech., Т. 526, стр. 361--376
↑ Woods, AW (2010), Turbulent plumes in nature , Annu. Rev. Fluid Mech., Vol. 42. С. 391--412.
^ a b Коннолли, Пол. «Модель гауссова плюма» . personalpages.manchester.ac.uk . Проверено 25 апреля 2017 года .
^ 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.
^ Variano, Эван. Массовый транспорт в потоках окружающей среды . Калифорнийский университет в Беркли.

[1] Turner, JS (1979), «Эффекты плавучести в жидкостях», глава 6, стр.165 - &, Cambridge University Press

[2] Тернер, JS (1962). Стартовый шлейф в нейтральном окружении , J. Fluid Mech. Том 13, стр. 356-368

[3] Феттер, CW Jr 1998 загрязняющей Гидрогеология

[4] Перейти ↑ Briggs, Gary A. (1975). Прогнозы подъема шлейфа , глава 3 в лекциях по анализу загрязнения воздуха и воздействия на окружающую среду , Дуанн А. Хауген, редактор, Amer. Встретились. Soc.

[5] Beychok, Milton R. (2005). Основы диспергирования дымовых газов (4-е изд.). авторская публикация. ISBN 0-9644588-0-2.

[6] Scase, MM, Колфилд, CP, Dalziel, SB & Hunt, JCR (2006). Зависящие от времени шлейфы и струи с уменьшающейся мощностью источника , J. Fluid Mech. том 563, стр 443-461

[morton_turb-7] Мортон, Б. Р., Тернер, Дж. С., и Тейлор, Г. И. (1956), Турбулентная гравитационная конвекция от поддерживаемых и мгновенных источников , П. Рой. Soc. Лонд., Т. 234, стр. 1 - &

[8] Камински, Е. Тэйт, С. и Carazzo, Г. (2005), турбулентный унос в струях с произвольной плавучестью , J. Fluid Mech., Т. 526, стр. 361--376

[9] Woods, AW (2010), Turbulent plumes in nature , Annu. Rev. Fluid Mech., Vol. 42. С. 391--412.

[connolly_model-10] Коннолли, Пол. «Модель гауссова плюма» . personalpages.manchester.ac.uk . Проверено 25 апреля 2017 года .

[11] 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.

[12] Variano, Эван. Массовый транспорт в потоках окружающей среды . Калифорнийский университет в Беркли.

[1]