ΡΟΗ ΝΕΦΟΥΣ ΣΤΑΓΟΝΙΔΙΩΝ ΣΕ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΑ ΣΤΡΩΜΑΤΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΠΕΔΙΟ. Α. Βούρος, Θ. Πανίδης και Δ. Δ. Παπαηλιού

Transcript

1 1 Η ΔΙΗΜΕΡΙΔΑ ΕΛΛΗΝΙΚΟΥ ΠΙΛΟΤΙΚΟΥ ΚΕΝΤΡΟΥ ERCOFTAC ΕΡΕΥΝΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΣΕ ΘΕΜΑΤΑ ΡΟΩΝ, ΤΥΡΒΗΣ, ΚΑΥΣΗΣ ΡΟΗ ΝΕΦΟΥΣ ΣΤΑΓΟΝΙΔΙΩΝ ΣΕ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΑ ΣΤΡΩΜΑΤΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΠΕΔΙΟ Α. Βούρος, Θ. Πανίδης και Δ. Δ. Παπαηλιού Εργαστήριο Τεχνικής Θερμοδυναμικής, Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Ρίο-Πάτρα Τηλ , Fx , Περίληψη: Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται η πειραματική μελέτη της συμπεριφοράς νέφους σταγονιδίων στο στρωματοποιημένο τυρβώδες περιβάλλον ενός ροϊκού πεδίου ελεύθερης μεταφοράς το οποίο αναπτύσσεται πάνω από μια θερμαινόμενη επιφάνεια. Το νέφος σταγονιδίων, το οποίο δημιουργείται από ένα νεφελοποιητή, εκτοξεύεται κάθετα στην επιφάνεια και σε σημαντική απόσταση από αυτήν, δημιουργώντας αρχικά μια διφασική δέσμη. Η καταγραφή του πεδίου θερμοκρασίας έγινε με ένα μικροσκοπικό θερμοζεύγος, τύπου Ε, ενώ για τις μετρήσεις των χαρακτηριστικών των σταγονιδίων χρησιμοποιήθηκε Ανεμόμετρο Φάσης Doppler (Phse Doppler Anemometer - PDA). Με βάση το αντίστοιχο μονοφασικό πεδίο εξετάζονται οι μεταβολές των μέσων και των στατιστικών χαρακτηριστικών του τυρβώδους θερμοκρασιακού πεδίου που δημιουργείται πάνω από μια επιφάνεια σταθερής ροής θερμότητας για δύο νέφη σταγονιδίων με διαφορετική παροχή. Επίσης παρουσιάζονται τα μέσα και τα στατιστικά χαρακτηριστικά του πεδίου ταχυτήτων των σταγονιδίων καθώς και οι κατανομές των μεγεθών τους για τα δύο διαφορετικά νέφη σε ισόθερμο και σε θερμικά στρωματοποιημένο πεδίο. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η δυναμική συμπεριφορά νέφους σταγονιδίων τόσο από ροϊκή άποψη όσο και σε σχέση με διεργασίες μεταφοράς θερμότητας και μάζας, καθώς επίσης και οι διατάξεις παραγωγής σταγονιδίων αποτελούν κατά τα τελευταία χρόνια σημαντικό πεδίο βασικής αλλά και εφαρμοσμένης έρευνας διεθνώς. Το πεδίο εφαρμογών είναι ευρύτατο περιλαμβάνοντας φυσικές διεργασίες και συστήματα (βροχή, κλίμα, αλληλεπίδραση ανέμου θαλάσσιας επιφάνειας, φυσικοί μηχανισμοί διάχυσης και μεταφοράς) αλλά και τεχνολογικές εφαρμογές (συστήματα καύσης υγρών καυσίμων, υγραντήρες, πύργοι ψύξης, χημικές διεργασίες, δημιουργία κοκκωδών υλικών με ξήρανση σταγονιδίων, υγρή διαχώριση, βαφή και γενικότερα επικαλύψεις επιφανειών). Ειδικότερα η μεταφορά θερμότητας και η δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ δεσμών σταγονιδίων νερού (σπρέι) με το ροϊκό πεδίο που δημιουργείται κοντά σε θερμές επιφάνειες είναι πρωτίστης σημασίας σε πολλές εφαρμογές, σε προβλήματα γεωργίας και τεχνολογίας περιβάλλοντος, όπως η άρδευση, ο ψεκασμός εντομοκτόνων, η ρύθμιση των συνθηκών σε θερμοκήπια και ο έλεγχος των δασικών πυρκαγιών. Η σύγχρονη διερεύνηση της δυναμικής νέφους σταγονιδίων βασίζεται, όπως και γενικότερα η διερεύνηση ροϊκών φαινομένων, σε ακριβείς πειραματικές τεχνικές που δίνουν πληροφορίες για τη δομή του ροϊκού πεδίου. Παράλληλα γίνεται προσπάθεια για την ανάπτυξη αξιόπιστων μοντέλων αλληλεπίδρασης των φάσεων μεταξύ τους και με το περιβάλλον που θα επιτρέψουν την προσομοίωση των φαινομένων με υπολογιστικό κώδικα. Κατά τις τελευταίες δεκαετίες πολλοί ερευνητές έχουν συνεισφέρει σημαντικά στη μελέτη του θέματος. Η διάσπαρτη ροή σταγονιδίων και η μεταφορά θερμότητας στο οριακό στρώμα μιας επίπεδης πλάκας έχουν αναλυθεί από τους Ki και Yo [1]. Οι Hermn et l [2] διεξήγαν πειράματα σε σχέση με την μεταφορά θερμότητας από σπρέι υψηλής πίεσης στην περιβάλλουσα ατμόσφαιρα. Ανέπτυξαν μια συσχέτιση μεταξύ της μέσης θερμοκρασίας του ψεκαζόμενου υγρού και των συνθηκών λειτουργίας. Οι Green et l [3] παρουσίασαν παρόμοια πειράματα με γλυκερίνη. Μια λεπτομερής μελέτη ενός εξατμιζόμενου σπρέι που αλληλεπιδρά με ένα ομόρροπο τυρβώδες ρεύμα αέρα παρουσιάστηκε από τους Yule et l [4]. Στην εργασία τους παρουσίασαν κατανομές ταχυτήτων των σταγονιδίων ενός σπρέι εξατμιζόμενης κηροζίνης που βάλλεται σε ρεύμα αέρα. Οι Solomon et l [5] μελέτησαν την εξάτμιση ενός σπρέι Freon-11 που ψεκάζεται μέσα σε ακίνητο αέρα. Μετρήθηκε η συγκέντρωση σταγονιδίων και προσδιορίστηκαν οι κατανομές μεγέθους σταγονιδίων με φωτογραφικές μεθόδους. Μια ακόμα λεπτομερής μελέτη ενός μη εξατμιζόμενου σπρέι που

2 αλληλεπιδρά με ένα ομόρροπο τυρβώδες ρεύμα αέρα παρουσιάστηκε από τους Ruolff et l [6]. Οι μετρήσεις περιελάμβαναν κατανομές μεγέθους σταγονιδίων, κατανομές ταχυτήτων αέρα και σταγονιδίων όπως και συσχετίσεις μεγέθους ταχύτητας. Πρόσφατα οι M Donell n Smuelsen [7] ανέπτυξαν μια λεπτομερή βάση δεδομένων αντιδρώντων και μη αντιδρώντων σπρέι μεθανόλης χρησιμοποιώντας διάφορους τύπους ψεκαστήρων. Οι μετρήσεις έγιναν με την μέθοδο Ανεμομετρίας Φάσης Doppler (PDA). Χάρτες του πεδίου ταχυτήτων των σταγονιδίων, η εξέλιξη της μέσης διαμέτρου Suter καθώς και συσχετίσεις μεταξύ του μεγέθους και της ταχύτητας συζητήθηκαν λεπτομερώς. Η εξάρτηση των χαρακτηριστικών του σπρέι από τις συνθήκες ροής του υγρού εξετάστηκαν από τους Kufferth et l [8] χρησιμοποιώντας έναν ψεκαστήρα εσωτερικής μίξης δύο ρευστών. Τα αποτελέσματα συσχετίσθηκαν με τη γεωμετρία του ακροφυσίου και τις παροχές του υγρού και του αέρα. Παρατηρήθηκε ότι οι συνθήκες ροής του υγρού πίδακα στην εσωτερική δίοδο έχουν ισχυρή επίδραση στην διάμετρο Suter. Οι Sommerfel και Qiu [9] εργάστηκαν σε μια διάταξη σωλήνα όπου θερμαινόμενος αέρας εισερχόταν μέσω της ομοαξονικής διόδου που σχημάτιζε ένα ακροφύσιο δακτυλιοειδούς κώνου (hollow one). Στα πειράματα χρησιμοποιήθηκε ισοπροπυλική αλκοόλη λόγω του υψηλού ρυθμού εξάτμισης. Έγιναν μετρήσεις για διάφορες συνθήκες ροής μεταβάλλοντας την παροχή και την θερμοκρασία του αέρα καθώς και την παροχή του υγρού με στόχο την εξαγωγή μιας αξιόπιστης βάσης δεδομένων. Οι μετρήσεις έγιναν με τη μέθοδο Ανεμομετρίας Φάσης Doppler και καταγράφηκαν κατανομές των μέσων διαμέτρων σταγονιδίων, των μέσων και των τυρβωδών ταχυτήτων αυτών καθώς και της παροχής μάζας. Το έναυσμα για την παρούσα εργασία προήλθε από ένα ερευνητικό πρόγραμμα σχετικό με τη χρήση των σπρέι στην κατάσβεση δασικών πυρκαγιών. Η ανάγκη για καλύτερη κατανόηση της αλληλεπίδρασης των σπρέι με θερμικά πεδία έδειξε ότι απαιτείται η λεπτομερής μελέτη απλών διατάξεων με σκοπό την εξαγωγή βασικής πληροφορίας αναφορικά με την επίπτωση της δομής της διάσπαρτης φάσης στο τυρβώδες πεδίο της συνεχούς σε σχέση με διαδικασίες τυρβώδους μεταφοράς μάζας και θερμότητας. Για το σκοπό αυτό επιλέχθηκε για διερεύνηση η ανάπτυξη ενός σπρέι λεπτού διασκορπισμού έναντι ενός θερμικά στρωματοποιημένου τυρβώδους πεδίου ελεύθερης μεταφοράς, δημιουργούμενου πάνω από μία θερμαινόμενη οριζόντια επιφάνεια. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΚΑΙ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Αρχικά μελετήθηκαν ανεξάρτητα το ροϊκό πεδίο ενός σπρέι νερού και γλυκερίνης λεπτού διασκορπισμού και το τυρβώδες στρωματοποιημένο πεδίο μιας επίπεδης θερμαινόμενης πλάκας. Τα δύο αυτά πεδία χρησιμοποιήθηκαν ως συνθήκες αναφοράς για την μελέτη της αλληλεπίδρασης των επί μέρους ροών. Το πεδίο ελεύθερης μεταφοράς δημιουργήθηκε πάνω από μια επίπεδη πλάκα από ανοξείδωτο ατσάλι διαστάσεων mm 3. Η πειραματική συσκευή φαίνεται στα σχήματα 1, 2. Η επάνω επιφάνεια της πλάκας είναι εκτεθειμένη σε ατμοσφαιρικό αέρα. Για να προστατευθεί η ελεύθερη μεταφορά της θερμότητας από πιθανές διαταραχές οφειλόμενες σε πιθανά ρεύματα αέρα, γύρω από τη συσκευή τοποθετήθηκε γυάλινο περίβλημα, ώστε να επιτρέπεται η χρήση οπτικών μεθόδων μέτρησης. Η όλη διάταξη τοποθετήθηκε σε κλειστό δωμάτιο. Η θέρμανση της επίπεδης πλάκας γίνεται με δέκα θερμαντικά στοιχεία, ομοιόμορφα τοποθετημένα πάνω στην εσωτερική επιφάνειά της (Σχήμα 1). Τα θερμαντικά στοιχεία είναι σύρματα χρωμονικελίνης, μονωμένα με αμίαντο, τοποθετημένα μέσα σε χυτοσιδηρές θήκες. Η ισχύς που αποδίδει κάθε στοιχείο υπό την τάση του δικτύου (220 Volts) είναι 300 Wtts. Για να επιτευχθεί ομοιόμορφη θερμοκρασιακή κατανομή κατά μήκος της πλάκας, κάθε στοιχείο συνδέεται κατάλληλα με έναν ρυθμιστή τάσης, ο οποίος επιτρέπει τη ρύθμιση της ισχύος που αποδίδεται στην πλάκα από το στοιχείο. Για τη μέτρηση αυτής της ισχύος χρησιμοποιείται βολτόμετρο διασυνδεόμενο με διακόπτη πολλαπλής εισόδου και μιας εξόδου. Για να αποφευχθούν μεταβολές της ισχύος οφειλόμενες στη διακύμανση της τάσης του δικτύου, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε σταθεροποιητής τάσης [10]. Η ομοιομορφία της θερμοκρασιακής κατανομής ελέγχεται με δέκα θερμοζεύγη σιδήρου-κονσταντάνης, τοποθετημένα σε βάθος 11mm, κατά μήκος του μεγάλου άξονα της πλάκας, στην εσωτερική επιφάνεια της. Για μεγαλύτερη θερμοκρασιακή ομοιομορφία, τοποθετήθηκε μεταξύ της εσωτερικής επιφάνειας της πλάκας και των θερμαντικών στοιχείων, πυρίμαχο τσιμέντο πάχους 20 mm. Η πλάκα μονώθηκε θερμικά από όλες τις πλευρές, εκτός από την επιφάνεια που εκτίθεται στον αέρα. Η μόνωση επιτεύχθηκε με την τοποθέτηση του όλου συστήματος μέσα σε ξύλινο πλαίσιο που περιέχει

3 Θερμοζεύγη z Θερμόμετρο Ακροφύσιο ψεκασμού y Οπτικά συλλογής x Θερμή Επιφάνεια Ρυθμιστές Τάσης Lser & Οπτικά Μεταβίβασης Σχήμα 1: Θέσεις των θερμαντικών στοιχείων και θερμοζευγών στη θερμαινόμενη πλάκα Σχήμα 2: Σχηματική παράσταση της πειραματικής διάταξης υαλοβάμβακα. Οι μετρήσεις του μέσου και τυρβώδους θερμοκρασιακού πεδίου έγιναν με τη βοήθεια θερμοζεύγους τύπου Ε χρωμίου-κονσταντάνης με διάμετρο αισθητηρίου 12 μm. Τα άκρα του θερμοζεύγους συνδέονταν σε ηλεκτρονικό κύκλωμα το οποίο περιελάμβανε κύκλωμα ρύθμισης της θερμοκρασίας αναφοράς και ενισχυτή. Η δειγματοληψία του ενισχυμένου σήματος γινόταν μέσω κάρτας A/D PCLAB (PCL 814) και η περαιτέρω επεξεργασία με τη χρήση Η/Υ. Σε κάθε σταθμό μέτρησης ελήφθησαν δείγματα με συχνότητα δειγματοληψίας 1 khz. Για τη μέτρηση της ταχύτητας και του μεγέθους των σταγονιδίων καθώς επίσης και των τυρβωδών στατιστικών χαρακτηριστικών τους χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα Ανεμομετρίας Φάσης Doppler (PDA). Η γωνία σκέδασης του δυναμικού αναλυτή σωματιδίων ως προς την πηγή Lser ήταν 35 ο. Σε κάθε σταθμό μέτρησης ελήφθησαν δείγματα. Στον Πίνακα 1 δίνονται τα χαρακτηριστικά του συστήματος PDA. Η επιλογή της θέσης μέτρησης γίνεται με κατάλληλη μετακίνηση των οπτικών συστημάτων που είναι τοποθετημένα σε τράπεζα με δυνατότητα κίνησης σε τρεις διευθύνσεις με ακρίβεια 10 μm. Για την παραγωγή του νέφους χρησιμοποιείται ένας νεφελοποιητής (neulizer). Το υγρό μείγμα που χρησιμοποιείται, αποτελείται από 2/3 νερό και 1/3 γλυκερίνη (σ = 0,069 kg/s 2, ρ = 1087 kg/m 3 ). Η διαδικασία ελέγχεται από μια ρυθμιζόμενη παροχή αέρα. Το υγρό διάλυμα αναμειγνύεται στο νεφελοποιητή με τον εισερχόμενο αέρα, παράγοντας ένα νέφος, το οποίο μεταφέρεται στη θέση εκροής μέσω ενός ορειχάλκινου σωλήνα μήκους 40 m. Το ακροφύσιο εκροής εσωτερικής διαμέτρου 5mm έχει τοποθετηθεί κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να εκτοξεύει μια κυκλική δέσμη σταγονιδίων (roun jet spry) κάθετα στην επίπεδη επιφάνεια (Σχήμα 2). Το ακροφύσιο βρίσκεται σε απόσταση h = 55 m από την επιφάνεια, με τον άξονα εκροής ευθυγραμμισμένο με το κέντρο της. Ως αρχή του συστήματος συντεταγμένων ετέθη το κέντρο της επίπεδης επιφάνειας και ο άξονας της δέσμης (τζετ) συμπίπτει με τον άξονα Z. Όλες οι μετρήσεις έγιναν στο θετικό τεταρτημόριο του επιπέδου XZ. Έτσι σε ότι αφορά τα χαρακτηριστικά του σπρέι η X διεύθυνση Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά του συστήματος PDA συμπίπτει με την ακτινική απόσταση από τον άξονα εκροής της δέσμης. Τύπος Lser 15m Wtt He-Ne Μήκος Κύματος Ακτίνας nm Εστιακή Απόσταση Φακού Μεταφοράς 605 mm Διάμετρος Δέσμης Lser 1 mm Απόσταση Δεσμών Lser 50 mm Ημιγωνία Τομής των Ακτινών 2.37 ο Απόσταση Κροσσών Συμβολής 7.67 μm Αριθμός Κροσσών Συμβολής 64 Γωνία Σκέδασης 35 ο Εστιακή Απόσταση Φακού Συλλογής 310 mm Γωνία Πόλωσης 0 ο Προσανατολισμός Πόλωσης Παράλληλος Μέγιστο Σφάλμα Φάσης 10 ο Μέγιστη Απόκλιση Σφαιρικότητας 10% ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα πειραματικά αποτελέσματα περιλαμβάνουν την καταγραφή των χαρακτηριστικών των βασικών ροών αναφοράς, δηλαδή του τυρβώδους θερμοκρασιακού πεδίου ελεύθερης μεταφοράς πάνω από τη θερμαινόμενη οριζόντια επιφάνεια (Περίπτωση 1), και του ισόθερμου νέφους, που δημιουργείται με δύο διαφορετικές παροχές υγρού (Περιπτώσεις 2,

4 Περίπτωση Παροχή όγκου αέρα (10-3 m 3 /s) Πίνακας 2: Χαρακτηριστικά συνθηκών μέτρησης Παροχή μάζας αέρα (g/s) Μέγιστη ταχύτητα διφασικού μείγματος (m/s) 3). Κύρια συνεισφορά της εργασίας αποτελεί η καταγραφή της ανάπτυξης των δύο σπρέι ενάντια στο πεδίο ελεύθερης μεταφοράς που δημιουργείται πάνω από την θερμαινόμενη επιφάνεια (Περιπτώσεις 4 και 5). Τα χαρακτηριστικά των συνθηκών μέτρησης συνοψίζονται στον Πίνακα 2. Κατά τη διάρκεια όλων των πειραμάτων με θέρμανση η παροχή ισχύος των θερμαντικών στοιχείων παρέμεινε σταθερή επιβάλλοντας οριακή συνθήκη σταθερής ροής θερμότητας. Ο αριθμός Grshof του μονοφασικού πεδίου (Περίπτωση 1) ήταν υποδηλώνοντας την δημιουργία τυρβώδους ροϊκού πεδίου. Όλες οι πειραματικές μετρήσεις έγιναν αφού το ροϊκό πεδίο και η κατανομή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια έφταναν σε μόνιμη κατάσταση. Η παρουσία των σταγονιδίων στα πειράματα με θέρμανση (Περιπτώσεις 4, 5) είχε σαν αποτέλεσμα την μείωση της θερμοκρασίας της επιφάνειας και μικρή αλλοίωση (mx. 4 o C) της ομοιομορφίας της κατανομής της (Σχήμα 3). Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι ακόμα και για την υψηλότερη παροχή του σπρέι, δεν παρατηρήθηκαν σταγονίδια επάνω στην θερμαινόμενη επιφάνεια κατά την διάρκεια των πειραμάτων. Πεδίο Θερμοκρασιών Το θερμοκρασιακό πεδίο καταγράφηκε σε ένα διδιάστατο πλέγμα διαστάσεων mm 2 στο επίπεδο XZ με βήμα 10mm στον άξονα X και μεταβλητό βήμα από 1 έως 10mm στον άξονα Z. Τα χαρακτηριστικά του στρωματοποιημένου τυρβώδους θερμοκρασιακού πεδίου απουσία νέφους σταγονιδίων (Περίπτωση 1) παρουσιάζονται στα σχήματα 4 7. Η επίδραση του νέφους σταγονιδίων δίνεται στα Διαγράμματα 4 7, 4 7 για τις Περιπτώσεις 4, 5 αντίστοιχα. Οι κατανομές μέσης θερμοκρασίας στο Διάγραμμα 4 (Περίπτωση 1) δείχνουν μικρές διαφορές ως προς την χωρική μεταβολή στον άξονα X. Η παρουσία του νέφους (Διαγράμματα 4, 4) επιφέρει μείωση της θερμοκρασίας επιφάνειας και οξύτερες κλίσεις στις κατανομές μέσης θερμοκρασίας (Περιπτώσεις 4, 5) αποτελέσματα ενδεικτικά του υψηλότερου συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Οι χωρικές διαφορές στην διεύθυνση X αυξάνονται, αυξανομένης της παροχής σε περιοχές κοντά στην επιφάνεια. Οι αντίστοιχες κατανομές των τυρβωδών διακυμάνσεων της θερμοκρασίας εμφανίζουν αυξημένες χωρικές διαφορές στην Περίπτωση 1 που αυξάνονται ακόμα περισσότερο συνοδεία ψεκασμού με χαμηλή παροχή (). Αντίθετα στην Περίπτωση 5 όπου η θερμαινόμενη επιφάνεια ψεκάζεται με μεγαλύτερη παροχή οι θερμοκρασιακές διακυμάνσεις καταστέλλονται αν και ακόμα παρατηρούνται αυξημένες τιμές κοντά στην επιφάνεια. Η μέγιστη τιμή των διακυμάνσεων παρουσιάζεται πιο κοντά στην επιφάνεια καθώς αυξάνεται η παροχή του νέφους υποδεικνύοντας αντίστοιχη μείωση του πάχους του στρώματος αγωγής Οι μετρήσεις των παραγόντων λοξότητας και επιπεδότητας (Διαγράμματα 6, 7 Περίπτωση 1) δείχνουν ότι το θερμικό πεδίο παρουσιάζει αυξανόμενη ανομοιογένεια πέρα από μια περιοχή κοντα στην θερμαινόμενη επιφάνεια. Η επίδραση του νέφους σταγονιδίων ψεκαζόμενου υπό πίεση 1 r (Διαγράμματα 6, 7 ) Παροχή όγκου υγρού (10-3 m 3 /h) Θερμοκρασία επιφάνειας πλάκας ( o C) Αριθμός Reynols Θ (ºC) Αριθμός Θερμοζεύγους Περίπτωση 1 Περίπτωση 5 Σχήμα 3: Κατανομή θερμοκρασίας στην θερμαινόμενη επιφάνεια

5 Περίπτωση 1 Περίπτωση Θ men ,12 0,10 z (mm) Διάγραμμα 4: Κατανομές Μέσης Θερμοκρασίας z (mm) z (mm) T rms i / T s - T 0 0,08 0,06 0,04 0,02 0, Διάγραμμα 5: Κατανομές Τυρβωδών Θερμοκρασιακών Διακυμάνσεων 6 S T F T Διάγραμμα 6: Κατανομές του Συντελεστή Λοξότητας του Θερμοκρασιακού Πεδίου X = 0 m X = 1 m X = 2 m X = 3 m X = 4 m X = 5 m X = 6 m X = 7 m X = 8 m X = 9 m X = 10 m X = 11 m X = 12 m X = 13 m -5 Διάγραμμα 7: Κατανομές του Συντελεστή Επιπεδότητας Πεδίου

6 αυξάνει την ανομοιογένεια των τυρβωδών θερμοκρασιακών διακυμάνσεων παρουσιάζοντας υψηλότερες τιμές του συντελεστή λοξότητας και μια ευρύτερη κατανομή του παράγοντα επιπεδότητας. Στην Περίπτωση 5 η επίδραση του νέφους οδηγεί το θερμικό πεδίο σε ανομοιογένεια πλησιέστερα προς την επιφάνεια με αποτέλεσμα την αναδιάρθρωση των κατανομών των συντελεστών λοξότητας και επιπεδότητας οι οποίες συστέλλονται προς την επιφάνεια σε σχέση με την Περίπτωση 4. Φαίνεται πως το αναπτυσσόμενο πεδίο σταγονιδίων κυριαρχεί του θερμικού ειδικά σε ύψη πάνω από τα 40mm από την επιφάνεια. Γενικά οι τιμές των συντελεστών λοξότητας και επιπεδότητας δεν μετρήθηκαν συγχρόνως 0 και 3 κάτι που δείχνει την έλλειψη τυχαιότητας στην τυρβώδη κίνηση και την ύπαρξη οργανωμένων δομών μεγάλης κλίμακας στη ροή [11]. Πεδίο Ταχυτήτων Σταγονιδίων Στα διαγράμματα 8-11 παρουσιάζονται μετρήσεις των μέσων και των στατιστικών χαρακτηριστικών του πεδίου ταχυτήτων των σταγονιδίων υπό τις δύο συνθήκες ψεκασμού που χαρακτηρίζονται από τις διαφορετικές παροχές του διφασικού μείγματος, σε ισόθερμη ατμόσφαιρα (Περιπτώσεις 2, 3) και σε θερμοκρασιακά στρωματοποιημένη ατμόσφαιρα πάνω από την θερμαινόμενη επιφάνεια (Περιπτώσεις 4, 5). Τα ύψη Z αναφέρονται ως προς την θερμαινόμενη επιφάνεια. Η απόσταση. από το ακροφύσιο είναι αντίστοιχα (h-z). Σε κάθε ύψος ελήφθησαν 14 μετρήσεις εγκάρσια ως προς τον άξονα εκροής με βήμα 1m. Οι μέσες ταχύτητες των σταγονιδίων στο ισόθερμο πεδίο (Περιπτώσεις 2, 3) ακολουθούν μια κατανομή αξονοσυμμετρικού τζετ δίνοντας μέγιστη ταχύτητα στον άξονα, που κυμαίνεται μεταξύ 0.55m/s και 0.7m/s όπως φαίνεται στα Διαγράμματα 8, 8. Πλησιέστερα στο ακροφύσιο οι κατανομές παρουσιάζουν μεγαλύτερα μέγιστα και μικρό εύρος. Καθώς μεγαλώνει η απόσταση από το ακροφύσιο η μέγιστη τιμή μειώνεται και το εύρος των κατανομών μεγαλώνει διατηρώντας σχετική ομοιότητα. Σε συνθήκες θέρμανσης (Περιπτώσεις 4, 5) παρόλο που η κατανομή ταχύτητας διατηρεί την ίδια μορφή με αυτή της ισόθερμης ατμόσφαιρας, το μέγεθος των μέσων ταχυτήτων μειώνεται, Επιπλέον, φαίνεται ότι οι κατανομές ομαλοποιούνται και οι ταχύτητες μεταβάλλονται σε μικρότερο εύρος τιμών στη διεύθυνση X. Αυτό οφείλεται στην παρουσία στηλών ζεστού αέρα, που ξεπηδούν από το άκρο του στρώματος αγωγής και ανεβαίνουν αναμειγνυόμενες με τον αέρα που τις περιβάλλει. Οι διακυμάνσεις των ταχυτήτων των σταγονιδίων φτάνουν σε υψηλές τιμές σε θέσεις κοντά στον άξονα εκροής στις περιπτώσεις του ισόθερμου ψεκασμού (Διαγράμματα 9, 9). Στην διεύθυνση X οι μέγιστες τιμές των διακυμάνσεων αντιστοιχούν σε περιοχές όπου η τυρβώδης κινητική ενέργεια είναι μέγιστη. Οι μορφές των διαγραμμάτων προς τα όρια του σπρέι είναι ενδεικτικές μιας διακοπτόμενης (intermittent) ροής η οποία κυριαρχείται εναλλακτικά από τα χαρακτηριστικά του σπρέι και από την επίδραση της στάσιμης περιβάλλουσας ατμόσφαιρας. Στις περιπτώσεις όπου ο ψεκασμός επηρεάζεται από την ανάπτυξη του θερμοκρασιακού πεδίου παρατηρείται μετατόπιση των κατανομών των διακυμάνσεων των σταγονιδίων προς υψηλότερες τιμές, ειδικότερα στις περιοχές κοντά στα όρια της δέσμης κάτι που δείχνει σημαντικότερη επίδραση του στρωματοποιημένου μέσου. Αυτή η συμπεριφορά, μπορεί να αποδοθεί στην αλληλεπίδραση του τυρβώδους θερμοκρασιακού πεδίου με το νέφος σταγονιδίων και στη συνεπαγόμενη ενεργειακή ανταλλαγή μεταξύ των σταγονιδίων και του στρωματοποιημένου θερμικού πεδίου. Στα Διαγράμματα 10 και 11 παρουσιάζονται οι κατανομές των συντελεστών λοξότητας και επιπεδότητας. Στις ισόθερμες περιπτώσεις ψεκασμού στην κεντρική περιοχή του νέφους (0-4 m) παρατηρείται ομογένεια και η τιμή του συντελεστή λοξότητας τείνει στο 0 και η αντίστοιχη τιμή του συντελεστή επιπεδότητας τείνει στο 3 (Διαγράμματα 10-, 11-). Σε μεγαλύτερες αποστάσεις από την επιφάνεια, οι τιμές των παραπάνω συντελεστών απομακρύνονται από εκείνες που αντιστοιχούν σε μια κανονική κατανομή. Γενικά, φαίνεται ότι η επίδραση της στρωματοποίησης στον ψεκασμό με μικρή παροχή () ευνοεί την εγκαθίδρυση ομοιογένειας στο πεδίο ταχυτήτων των σταγονιδίων. Επιπροσθέτως στην Περίπτωση 5 η ύπαρξη της ομογένειας δεν είναι τόσο εμφανής (Σχήματα 10, 11) αφού η εφαρμογή υψηλότερης πίεσης στο διφασικό μίγμα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της παραγωγόμενης τύρβης, άποψη που ενισχύεται και από το Διάγραμμα 9. Οι κατανομές της διαμέτρου Suter, D 32, των σταγονιδίων για τις Περιπτώσεις 2, 3 δείχνουν μέγιστες τιμές σε περιοχές κοντά στον άξονα εκροής. Στα όρια του σπρέι η μέση διάμετρος Suter είναι πολύ μικρότερη σε όλα τα προφίλ. Επίσης παρατηρείται ότι σε υψηλότερη παροχή (Περίπτωση 3) η διάσπαση σταγονιδίων είναι πιο αποτελεσματική δίνοντας ένα λεπτότερο σπρέι σε σχέση με την Περίπτωση 2 (Διαγράμματα 12, 12). Οι κατανομές της μέσης διαμέτρου Suter στις περιπτώσεις

7 0,8 Περίπτωση 2 Περίπτωση 3 Περίπτωση 5 0,7 0,6 W rms (m/s) W men (m/s) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1 0,30 0,25 0,20 0,15 Διάγραμμα 8: Κατανομές της Μέσης Κατακόρυφης Συνιστώσας της Ταχύτητας Σταγονιδίων z = 5 m z = 6 m z = 7 m z = 8 m z = 10 m z = 12 m z = 14 m z = 16 m z = 18 m 0,10 0,05 0,00 Διάγραμμα 9: Κατανομές των Κυμαινόμενων Συνιστωσών της Ταχύτητας Σταγονιδίων) επίδρασης της θερμοκρασιακής στρωματοποίησης δείχνουν μια μορφή χωρίς σημαντικές διαφορές ανάμεσα στις τιμές που εμφανίζονται στον άξονα του σπρέι και στα άκρα του, κάτι που πιθανώς οφείλεται στον υψηλό ρυθμό εξάτμισης που αναμένεται σ αυτές τις περιπτώσεις. Περίπτωση 1 Περίπτωση 2 Περίπτωση S 1 W F W Διάγραμμα 10: Κατανομές του Συντελεστή Λοξότητας z = 5 m z = 6 m z = 7 m z = 8 m z = 10 m z = 12 m z = 14 m z = 16 m z = 18 m Διάγραμμα 11: Κατανομές του Συντελεστή Επιπεδότητας

8 4 Περίπτωση 2 Περίπτωση 3 Περίπτωση 5 SMD (μm) 3 2 z = 5 m z = 6 m z = 7 m z = 8 m z = 10 m z = 12 m z = 14 m z = 16 m z = 18 m 1 Διάγραμμα 12: Κατανομές της Μέσης Διαμέτρου Suter ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η αλληλεπίδραση ενός νέφους σταγονιδίων με το στρωματοποιημένο τυρβώδες ροϊκό πεδίο ελεύθερης μεταφοράς που δημιουργείται πάνω από θερμαινόμενη οριζόντια επιφάνεια διερευνήθηκε πειραματικά. Οι μετρήσεις του θερμοκρασιακού πεδίου δείχνουν ότι η παρουσία του νέφους σταγονιδίων οδηγεί σε κατανομές μέσης θερμοκρασίας απότομης κλίσης κοντά στην επιφάνεια άρα και σε υψηλότερες τιμές του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Επιπλέον η παρουσία των σταγονιδίων δείχνει να καταστέλλει την τυρβώδη δραστηριότητα μακριά από την θερμαινόμενη επιφάνεια ενώ την αυξάνει στην περιοχή κοντά στο τοίχωμα. Οι μετρήσεις του πεδίου ταχυτήτων των σταγονιδίων είναι ενδεικτικές μιας σημαντικής συγκέντρωσης σταγονιδίων κοντά στον άξονα του σπρέι κατά τις περιπτώσεις ισόθερμου ψεκασμού ενώ σημαντική μείωση μεγεθών παρατηρείται στην ίδια περιοχή υπό την επίδραση της στρωματοποίησης, η οποία επιπλέον οδηγεί σε συμπίεση των κατανομών μεγέθους λόγω διασκορπισμού. Στα όρια του νέφους τα στατιστικά χαρακτηριστικά λαμβάνουν τιμές ενδεικτικές μιας διακοπτόμενης ροής. Στο άμεσο μέλλον αναμένεται ότι η περαιτέρω ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης και της παροχής μάζας θα δώσει πληροφορίες για τον ρυθμό εξάτμισης στις Περιπτώσεις που παρουσιάστηκαν στην εργασία αυτή. Τέλος βρίσκεται σε εξέλιξη η ανάπτυξη μοντέλων που θα περιγράφουν την αλληλεπίδραση του σπρέι με το θερμικό πεδίο και η αξιολόγησή τους με υπολογιστικό κώδικα. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Ki J.N. n Yo S.-C., Therml Engineering Conferene Proeeings ASME, 2: (1987). [2] Hermn S.R., Jnn W.S. n John J.E.A., 3r Intl. Multiphse Flow Conferene Proeeings, Mimi (1983). [3] Green P., Jnn W.S. n John J.E.A., 3r Int. Conf. Liqui Atomiztion n Spry Systems, Lonon, (1985). [4] Yule A.J., Ereut P.R. n Ungut A., Comustion n Flme, 54:15-22 (1983). [5] Solomon A.S.P., Shuen J.S., Zhng Q.F., Fueth G. M., Int. Journl of Het Mss Trnsfer, 107: [6] Ruolf R.C., Houser M.J., Bhlo N.D, AIAA, PA (1987). [7] M Donnell V.G., Smuelsen, G. S., Journl of Fluis, 117: (1995). [8] Kufferth A., Wenere B., Leukel W., Int. Journl of Het Flui Flow, 20: (1999). [9] Sommerfel M., Qui H.-H., Int. Journl of Het n Flui Flow, 19:10-22 (1998). [10] Τσιρίκογλου, Θ. Διδακτορική Διατριβή «Η Δομή του Τυρβώδους Πεδίου Θερμοκρασίας πάνω από Θερμαινόμενες Επιφάνειες» [11] Ppiliou D. D., Experimentl Het Trnsfer, Flui Mehnis n Thermoynmis, , (1997)