Плюм (гидродинамика) - Plume (fluid dynamics)

Контролируемое сжигание масла с образованием шлейфа дыма

В гидродинамика, а шлейф или столбец представляет собой вертикальное тело одной жидкости, движущейся сквозь другую. Несколько эффектов управляют движением жидкости, включая импульс (инерцию), диффузию и плавучесть (разницу плотностей). Чистый струи и чистый перья определяют потоки, которые полностью управляются эффектами импульса и плавучести, соответственно. Потоки между этими двумя пределами обычно описываются как принудительные струи 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

Обычно, когда шлейф удаляется от своего источника, он расширяется из-за увлечение 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). Обычно это приводит к тому, что шлейф, который изначально был с преобладанием плавучести, становится с преобладанием импульса (этот переход обычно предсказывается безразмерным числом, называемым Число Ричардсона ).

Поток и обнаружение

Еще одно важное явление заключается в том, имеет ли шлейф ламинарный поток или же турбулентный поток. 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, вычислительная гидродинамика (CFD) можно использовать для моделирования шлейфов, но результаты могут быть чувствительны к модель турбулентности выбрал. CFD часто проводится для ракетные шлейфы, где компоненты конденсированной фазы могут присутствовать в дополнение к газообразным компонентам. Эти типы моделирования могут быть довольно сложными, в том числе дожигание и тепловое излучение, и (например) баллистическая ракета запуски часто обнаруживаются путем обнаружения шлейфов горячих ракет. Точно так же менеджеры космических кораблей иногда обеспокоены нарушением система ориентации двигатель летит 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 начальный шлейф довольно часто имеет форму кольца.вихрь (кольцо дыма ).^[2]

Типы

Загрязняющие вещества выпущенные на землю, могут проникнуть в грунтовые воды, что приводит к загрязнение подземных вод. В результате объем загрязненной воды в пределах водоносный горизонт называется шлейфом, а его мигрирующие края называются фронтами шлейфа. Шлейфы используются для поиска, отображения и измерения загрязнение воды в пределах всего водоема водоносного горизонта и фронтов шлейфа для определения направлений и скорости распространения загрязнения в нем.^[3]

Плюмы имеют большое значение в моделирование атмосферной дисперсии из загрязнение воздуха. Классическая работа по теме шлейфов загрязнения воздуха - это работа Гэри Бриггса.^[4]^[5]

А тепловой шлейф генерируется газом, поднимающимся над источником тепла. Газ поднимается, потому что тепловое расширение делает теплый газ менее плотным, чем окружающий более холодный газ.

Простое моделирование плюма

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 Приближение Буссинеска ).
Распределение плотности и скорости по шлейфу моделируется либо с помощью простых распределений Гаусса, либо принимается как однородное по шлейфу (так называемая модель «цилиндра»).
Скорость увлечения шлейфом пропорциональна местной скорости.^[7] Хотя первоначально считалось, что это константа, недавние исследования показали, 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, тогда как для наклонных 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 под постоянным половинным углом примерно от 6 до 15 градусов.

Моделирование гауссова плюма

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 ${ displaystyle M}$ выпущен в мгновенный момент времени в одномерном домене вдоль ${ displaystyle x}$ . Это даст следующее уравнение:^[11]

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

куда ${ displaystyle M}$ это масса, выпущенная во время ${ displaystyle t = t_ {0}}$ и расположение ${ displaystyle x = x_ {0}}$ , и ${ displaystyle D}$ коэффициент диффузии ${ displaystyle left [{ frac {{ text {m}} ^ {2}} { text {s}}} right]}$ . В этом уравнении сделаны следующие четыре предположения:^[12]