Шлейф (гидродинамика)

Контролируемое сжигание масла, создающее дымовой шлейф

В гидродинамике, шлейф или столб - это вертикальное тело одной жидкости, движущейся сквозь другую. Несколько эффектов управляют движением жидкости, включая импульс (инерцию), диффузию и плавучесть (разницу плотностей). Чистые струи и чистые струи 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. 151>Содержание

• 1 Движение
  • 1.1 Поток и обнаружение
• 2 Типа
• 3 Моделирование простого шлейфа
• 4 Моделирование гауссова шлейфа
• 5 Галерея
• 6 См. Также
• 7 Ссылки

Обычно, когда шлейф удаляется от своего источника, он расширяется из-за увлечения 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, приводит к возникновению сопутствующей струи). Обычно это 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

Еще одним важным явлением является то, имеет ли факел ламинарный поток или 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) может использоваться для моделирования шлейфов, но результаты могут быть чувствительны к выбранной модели турбулентности. CFD часто выполняется для ракетных факелов, 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) пуски баллистических ракет часто обнаруживаются путем обнаружения струй горячих ракет. Точно так же менеджеры космических кораблей иногда обеспокоены воздействием струй двигателя системы управления ориентацией на чувствительные подсистемы, такие как солнечные батареи и звездные трекеры.

Еще одно явление, которое также можно четко увидеть в потоке дыма от сигареты, заключается в том, что передняя кромка потока, или начальный шлейф, довольно часто имеет форму кольца- вихрь (дымовое кольцо ).

Загрязняющие вещества, выбрасываемые на 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 называются фронтами шлейфа. Шлейфы используются для определения местоположения, отображения и измерения загрязнения воды внутри общий водный объект водоносного горизонта и фронты шлейфа для определения направлений и скорости распространения загрязнения в нем.

Шлейфы имеют большое значение при моделировании атмосферной дисперсии загрязнения воздуха. Классическая работа на тему шлейфов загрязнения воздуха - это работа Гэри Бриггса.

A тепловой шлейф - это шлейф, который создается газом, поднимающимся над источником тепла. Газ повышается, потому что тепловое расширение делает теплый газ менее плотным, чем окружающий более холодный газ.

Довольно простое моделирование позволит исследовать многие свойства полностью развитых турбулентных шлейфов.

1. Обычно достаточно предположить, что градиент давления задается градиентом далеко от шлейфа (это приближение аналогично обычному приближению Буссинеска ).
2. Распределение плотности и скорости по шлейфу моделируется либо простым распределением Гаусса, либо принимается как однородное по всему шлейфу (так называемое "цилиндрическая" модель).
3. Скорость увлечения в шлейф пропорциональна локальной скорости. Хотя первоначально считалось постоянным, недавняя работа показала, что коэффициент увлечения изменяется в зависимости от местного числа Ричардсона. 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.
4. Уравнения сохранения массы (включая уносы) t), а потоков импульса и плавучести достаточно для полного описания потока во многих случаях. Для простого восходящего шлейфа эти уравнения предсказывают, что шлейф будет расширяться при постоянном полуугле примерно от 6 до 15 градусов.

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

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

где $M\; \{\backslash \; displaystyle\; M\}$- масса, высвобождаемая в момент $t\; =\; t\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; t\; =\; t\_\; \{0\}\}$и местоположение $x\; =\; x\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; x\; =\; x\_\; \{0\}\}$, а $D\; \{\backslash \; displaystyle\; D\}$- коэффициент диффузии $[м\; 2\; с]\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; left\; [\{\backslash \; frac\; \{\{\backslash \; text\; \{m\}\}\; ^\; \{2\}\}\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\}\; \backslash \; right]\}$. В этом уравнении сделаны следующие четыре допущения:

1. Масса $M\; \{\backslash \; displaystyle\; M\}$высвобождается мгновенно.
2. Масса $M\; \{\backslash \; displaystyle\; M\}$высвобождается в бесконечной области.
3. Масса распространяется только посредством диффузии.
4. Распространение не изменяется в пространстве.

Плюмы

• 

  Пар шлейфы из промышленных источников

• 

  Большой шлейф естественной конвекции

• 

  Ядерный взрыв может вызвать тепловой шлейф грибовидной формы.

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