بررسی زاویه همگرایی بر طول اختلاط در جت های مستغرق با استفاده از مدل فیزیکی و ریاضی

جریان جت ها به طور کلی به دو دسته جریان آزاد و جریان مستغرق تقسیم بندی می شود. در جریان مستغرق، سیال جت به سیالی از جنس خود تزریق می گردد که چنانچه دارای دانسیته متفاوتی نسبت به سیال پیرامون باشد جریان جت مستغرق غلیظ را بوجود می آورد. یکی از راههای سریع برای رقیق نمودن آلودگی هایی که به رودخانه ها یا دریاها می ریزند استفاده از جتهای مستغرق متلاطم است که می تواند در فاصله زمانی نسبتاَ کوتاهی مقدار زیادی آب و جریان آلودگی را به علت شرایط تلاطمی بالای خود مخلوط نموده و اثرات آن را سریعاً کاهش دهد. رفتار جت های متلاطم به عوامل متعددی بستگی دارد که عبارتند از پارامترهای جت، پارامترهای محیطی، پارامترهای هندسی. در این تحقیق عوامل موثر بر جریان جت مستغرق تخلیه شونده به منابع آب پذیرنده ساکن مورد بررسی قرار گرفته است. در این راستا، کلیه پارامترهای جت، پارامترهای محیطی و پارامترهای هندسی موثر بر جریان جت های دایره ای مستغرق، بررسی و با استفاده از آنالیز ابعادی روابط بدون بعد مربوطه استخراج شد. برای بررسی چگونگی ارتباط بین این پارامترها یک مدل فیزیکی در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه شهید چمران اهواز ساخته شد و آزمایش های مختلف در هندسه و جریان غلیظ متفاوت جت به طور مجموع با 215 آزمایش انجام گردید. در این راستا خصوصیات مهم توسعه جریان جت که شامل طول اختلاط یا طول شناوری مثبت (x)، حداکثر طول مرز بالایی (xmax) و حداکثر طول مرز پایینی (xmin) است، بررسی شده است. از طرفی با استفاده از سیستم سرعت سنج uvdp با دستگاه dop2000 پروفیل های سرعت در مقاطع مختلف از جت اندازه گیری شده و الگوی جریان جت بررسی شده است. پروفیل های سرعت اندازه گیری شده با روابط تئوری توزیع نرمال گوسین مقایسه و مشخص شد کلیه پروفیل های سرعت اندازه گیری شده از تابع گوسین پیروی می کنند. اندازه گیری های سرعت و غلظت در مکان های مختلف از جت نهایتاً مشخص نمود که داده های اندازه گیری شده با نتایج تئوری تطابق خوبی دارد. بر اساس نتایج بدست آمده برای کلیه آزمایش های انجام شده مشخص گردید، با افزایش غلظت از 15 به 30 گرم بر لیتر در کلیه آزمایش ها عدد شناوری تا حدود 90 درصد افزایش نشان داده است. همچنین با افزایش غلظت از 30 به 50 گرم بر لیتر این پارامتر تا حدود 75 درصد افزایش یافته است. این در حالی است که برای افزایش غلظت از 50 به 200 گرم بر لیتر میزان افزایش پارامتر شناوری به طور متوسط به بیش از 8 برابر رسیده است. بر اساس نتایج مشخص گردید که برای کلیه سرعت های ورودی جت، با افزایش زاویه همگرایی توسعه منحنی تراژکتوری افزایش می یابد؛ به طوری که، مقدار توسعه جریان که طول اختلاط پارامتر اساسی آن است، در حدود 25 تا 30 درصد برای تغییر زاویه همگرایی از 15 به 90 درجه افزایش می یابد. نتایج حاصل از این تحقیق با استفاده از تحلیل آماری نشان داد که رابطه غیر خطی با دقت قابل قبولی بین پارامترهای توسعه جریان جت با عوامل موثر بر آن شامل زاویه همگرایی، عدد فرود دنسیمتریک و عدد هندسه جت بر قرار است. طول اختلاط و یا طول شناوری مثبت به عنوان یکی از روابط مهم توسعه جریان جت بر اساس پارامترهای موثر، به صورت زیر است: بر اساس محاسبات rmse معادلات توسعه جریان جت با دقت قابل قبولی (در حدود 85/0) قادر به پیش بینی جریان می باشند. همچنین آنالیز حساسیت معادلات توسعه یافته با استفاده از تکنیک دیفرانسیلی انجام و نتایج آن به صورت نمودار ارائه گردید. بر اساس نتایج بدست آمده ضریب انتشار جت به طور متوسط از غلظت های کم به زیاد افزایش می یابد. این در حالی است که مقدار متوسط آن برای غلظت 15 گرم بر لیتر، 121/0 برای غلظت 30 گرم بر لیتر 135/0، برای غلظت 50 گرم بر لیتر 153/0 و برای غلظت 200 گرم بر لیتر 195/0 برآورد گردید. بر اساس نتایج کلیه آزمایش ها با استفاده از نرم افزار آماری spss مدل های آماری مختلفی برای پیش بینی طول هسته پتانسیل مورد آزمون و خطا قرار گرفت که مدل غیر خطی به عنوان بهترین مدل معرفی شد و به روش rmse دقت رابطه مربوطه برابر با 851/0 برآورد شد. همچنین در خصوص عرض پخشیدگی غلظت جریان با استفاده از پروفیل های برداشت شده غلظت مشخص گردید که مقدار ضریب مربوط به انتشار غلظت، در این تحقیق در حدود 25/1 می باشد. مدل ریاضی flow-3d برای شبیه سازی برخی از آزمایش های این تحقیق مورد استفاده قرار گرفت که با استفاده از مدل تلاطمی ??? شبیه سازی صورت پذیرفت. بر اساس نتایج شبیه سازی ریاضی مشخص شد که با افزایش 66 درصدی غلظت طول خط مرکزی تراژکتوری 17 درصد و برای افزایش غلظت 30 به 200 گرم بر لیتر این طول 42 درصد کاهش یافته است. این محاسبات و شبیه سازی ها با نتایج مدل فیزیکی مقایسه گردید. بر اساس بررسی های به عمل آمده مدل ریاضی flow-3d نتایج پارامترهای کلی منحنی های پایین افتادگی را نسبت به نتایج بدست آمده از مدل فیزیکی برای تاثیر غلظت، کمتر نشان می دهد. به صورت کمی اختلاف بین نتایج flow-3d با نتایج مدل فیزیکی برای بررسی اثر غلظت بین این پارامترها بین 12 تا 33 درصد کمتر می باشد. با افزایش غلظت و کاهش عدد فرود دنسیمتریک، اختلاف بین نتایج مدل ریاضی و مدل فیزیکی کاهش می یابد. به طوریکه برای غلظت 200 گرم بر لیتر اختلاف نتایج به 12 درصد، برای غلظت 50 گرم بر لیتر 22 درصد و برای غلظت 30 گرم بر لیتر این اختلاف به طور متوسط به 33 درصد می رسد. همچنین مشخص گردید که تا طول معیار، نتایج مدل ریاضی و فیزیکی به یکدیگر نزدیک بوده به طوریکه برای غلظت های بالاتر نیز مدل ریاضی به خوبی منطبق بر نتایج مدل فیزیکی است. مطابق با یافته های این تحقیق، در فاصله حدود 2/21برابر طول معیار جریان جت به پلوم تبدیل شده که در بخش ناحیه نزدیک جت نتایج مدل ریاضی با مدل فیزیکی تطابق بسیار خوبی داشته و پس از آن در ناحیه دور از جت اختلاف بین مدل ریاضی با مدل فیزیکی بیشتر شود. بر اساس نتایج بدست آمده با استفاده از flow-3d مشخص شد، با افزایش زاویه همگرایی از 15 به 90 درجه به طور کلی پارامترهای توسعه جریان جت که شامل طول اختلاط نیز می شود، بین 8 تا 17 درصد افزایش می یابند؛ این در حالی است که اعداد بزرگتر مربوط به غلظت های کمتر بوده که در آن تاثیر زاویه همگرایی بیشتر می باشد. همچنین در یک غلظت ثابت با افزایش سرعت اولیه ورودی جت، تاثیر زاویه همگرایی افزایش می یابد. بررسی های انجام شده برای کلیه شبیه سازی ها نشان می دهد که مدل ریاضی بین 7 تا 32 درصد خصوصیات و پارامترهای مهم توسعه جریان جت را کمتر پیش بینی می نماید؛ به طوری که با افزایش غلظت جریان میزان اختلاف کمتر می گردد.