Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την ανάλυση της τυρβώδους ροής σε ορθογωνικό, ανοικτό αγωγό τριών διαστάσεων, στον οποίον ενυπάρχουν εμπόδια της μορφής προβόλων (groynes). Τέτοιου είδους κατασκευές χρησιμοποιούνται σε πάρα πολλούς ποταμούς ώστε να διατηρείται η επιθυμητή διατομή και το επιθυμητό βάθος ροής αλλά και να αποφεύγεται η διάβρωση των οχθών σε έντονα πλημμυρικά φαινόμενα. Για την επίλυση του προβλήματος αξιοποιήθηκαν οι εξισώσεις RANS, ενώ για το κλείσιμο της τύρβης χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο δύο εξισώσεων και το μοντέλο . Η διαχείριση της ελεύθερης επιφάνειας έγινε με την μέθοδο Volume of Fluid (VOF), ενώ η αριθμητική επίλυση βασίστηκε στην μέθοδο των πεπερασμένων όγκων και πραγματοποιήθηκε με τον εμπορικό κώδικα FLUENT 6.1.2. Για την ροή στον υπό εξέταση αγωγό θεωρήθηκε αριθμός Reynolds , ύψος τραχύτητας τοιχωμάτων και κλίση πυθμένα . Για λόγους ελέγχου της ακρίβειας της αριθμητικής μεθόδου που χρησιμοποιήθηκε, αρχικά επιλύθηκε η περίπτωση τρισδιάστατου καναλιού ορθογωνικής διατομής χωρίς προβόλους και τα αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν με αναλυτικά αποτελέσματα δισδιάστατης ροής (κατακόρυφο επίπεδο) υπεράνω επίπεδου πυθμένα. Τα αποτελέσματα βρέθηκαν σε καλή συμφωνία μεταξύ τους, γεγονός που επιβεβαίωσε την καταλληλότητα της μεθόδου. Για το τρισδιάστατο πρόβλημα με τους εγκάρσιους προβόλους, η ανάλυση έδειξε ότι το διάμηκες προφίλ της ελεύθερης επιφάνειας παρουσιάζει τοπική ταπείνωση στην θέση των προβόλων, ενώ η κατανομή των διατμητικών τάσεων παρουσιάζει μια σημαντική αύξηση στο μέτωπο των προβόλων και μια μείωση κατάντη των προβόλων στον πυθμένα και στο πλαϊνό τοίχωμα συγκριτικά με τις τιμές της διατμητικής τάσης στο κανάλι χωρίς τα εμπόδια. Επιπροσθέτως, παρατηρήθηκε η δημιουργία μιας περιοχής ανακυκλοφορίας της ροής κατάντη κάθε προβόλου. Η επανακόλληση της ροής κατάντη των προβόλων υπολογίστηκε ότι συμβαίνει σε μια απόσταση 11-19 φορές το μήκος του προβόλου πλησίον του πυθμένα ενώ πλησίον της ελεύθερης επιφάνειας αυτή η απόσταση ισούται με 6-7 φορές το μήκος του προβόλου ανάλογα με τον αριθμό και την απόσταση που απέχουν οι πρόβολοι μεταξύ τους. Αξίζει να σημειωθεί επίσης ότι οι τάσεις στο πλαϊνό τοίχωμα και στον πυθμένα στην περιοχή κατάντη των προβόλων παρουσίασαν μειωμένη κατά απόλυτο τιμή συγκριτικά με την περίπτωση του καναλιού χωρίς τα εμπόδια, γεγονός που συνηγορεί στη χρησιμοποίηση των προβόλων για προστασία διάβρωσης του ακτής. / This thesis deals with the analysis of turbulent flow in rectangular, three-dimensional open channel, in which inherent cantilever barriers (groynes). Such structures are used in many rivers to maintain the desired cross section and the desired depth of flow and to avoid corrosion of the banks to intense flooding.

Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την πειραματική διερεύνηση της αλληλεπίδρασης δέσμης εκροής νέφους σταγονιδίων νερού με το θερμικά στρωματοποιημένο,τυρβώδες ρευστο-θερμικό πεδίο που αναπτύσσεται πάνω από οριζόντια θερμαινόμενη επίπεδη επιφάνεια. Τα φαινόμενα και οι φυσικοί μηχανισμοί που διέπουν την ως άνω αλληλεπίδραση πέρα από τη σημασία τους σε σχέση με τη βασική έρευνα στο πεδίο των ρευστοθερμικών φαινομένων, παρουσιάζουν ενδιαφέρον σε πληθώρα πρακτικών προβλημάτων όπως κατά τον ψεκασμό καυσίμου σε κινητήρες εσωτερικής καύσης και καυστήρες, στη διφασική ψύξη ηλεκτρονικών, στην μετεωρολογία, στην πυρόσβεση, σε διεργασίες απόθεσης και επικάλυψης κ.α. Το ρευστο-θερμικό πεδίο αναπτύσσεται πάνω από οριζόντια θερμαινόμενη επιφάνεια μεταλλικής πλάκας μέσα σε ορθογωνική κοιλότητα με ανοικτή οροφή. Το νέφος σταγονιδίων δημιουργείται σε έναν νεφελοποιητή και εκτοξεύεται μέσα από ένα ακροφύσιο κυλινδρικού σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 4mm, κάθετα προς την οριζόντια επίπεδη επιφάνεια και σε σημαντική απόσταση από αυτήν (50cm), δημιουργώντας αρχικά μια διφασική δέσμη εκροής σταγονιδίων. Για την δημιουργία βάσης δεδομένων αναφοράς, σημαντικό μέρος της εργασίας αναφέρεται στην καταγραφή και μελέτη του θερμικού πεδίου ελεύθερης συναγωγής που δημιουργείται πάνω από τη θερμαινόμενη πλάκα χωρίς την παρουσία σταγονιδίων. Αντίστοιχα μελετήθηκε η ανάπτυξη της δέσμης εκροής σταγονιδίων σε ισοθερμοκρασιακές συνθήκες. Η παραμετρική μελέτη της αλληλεπίδρασης δέσμης εκροής σταγονιδίων και θερμικά στρωματοποιημένου πεδίου πραγματοποιήθηκε για δέσμες σε δύο αριθμούς Reynolds και για δύο ρυθμούς ροής θερμότητας από την πλάκα. Οι αριθμοί Reynolds που επιβάλλονται στη ροή δέσμης του νέφους (mistjet) είναι σχετικά χαμηλοί έτσι ώστε να ισχυροποιηθεί σχετικά η επίδραση του τοιχώματος και κυρίως οι ροϊκές δομές που δημιουργούνται λόγω των ανωστικών δυνάμεων κοντά στη θερμαινόμενη επιφάνεια. Η σύνθετη ροή που παράγεται λόγω της σημαντικής απόστασης μεταξύ του ακροφυσίου και της επίπεδης επιφάνειας - στόχου κατατάσσεται στην κατηγορία των δεσμών εκροής ασθενούς πρόσκρουσης. Οι παράμετροι που εξετάζονται περιλαμβάνουν μέσα και τυρβώδη χαρακτηριστικά τόσο των σταγόνων (μέγεθος και ταχύτητα), όσο και της θερμοκρασιακής κατανομής πάνω από την θερμαινόμενη πλάκα. Το θερμικό πεδίο σε συνθήκες ελεύθερης μεταφοράς και υπό την επίδραση της ροής των σταγονιδίων καταγράφτηκε με τη βοήθεια θερμοζεύγους πολύ μικρών διαστάσεων ώστε να αλλοιώνει όσο το δυνατόν λιγότερο τη ροή. Οι διαστάσεις του αισθητηρίου είναι σημαντικά μικρότερες της κλίμακας μήκους Kolmogorov και επομένως το αισθητήριο κρίθηκε ικανό για την ανάλυση όλων των σχετικών κλιμάκων της ροής. Το πεδίο νέφους σταγονιδίων μελετήθηκε με την τεχνική Ανεμομετρίας Φάσης Doppler (PhaseDopplerAnemometry - PDA) η οποία επιτρέπει την μέτρηση τόσο της ταχύτητας όσο και του μεγέθους των σταγονιδίων παρέχοντας τη δυνατότητα συσχέτισης των δύο μεγεθών για τον ενδελεχή χαρακτηρισμό της συμπεριφοράς των σταγονιδίων. Η τεχνική αυτή είναι μια από τις λίγες μη παρεμβατικές μεθόδους σημειακών μετρήσεων σε διφασικά ροϊκά πεδία η οποία δίνει πληροφορία για τη συγκέντρωση και την παροχή, με την τελευταία να αποτελεί σημαντικό εργαλείο στον υπολογισμό της εξάτμισης. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων κατά την αλληλεπίδραση των πεδίων (θερμικού και σταγονιδίων) μελετώνται και συγκρίνονται με τις συνθήκες αναφοράς της στρωματοποιημένης ροής του θερμοκρασιακού πεδίου και της ισόθερμης ροής του πεδίου ταχυτήτων δίνοντας πληροφορία για την επίδραση του νέφους σταγονιδίων στους μηχανισμούς τυρβώδους μεταφοράς. Αναγνωρίστηκε ως κυρίαρχη δομή του πεδίου συναγωγής το κινούμενο πλούμιο συχνά μορφής μανιταριού. Η μορφή των κατανομών πυκνότητας πιθανότητας (PDF) ερμηνεύθηκε σε σχέση με το ιστορικό δημιουργίας και ανταλαγών θερμότητας των επί μέρους αερίων μαζών που διέρχοτναι από τη θέση μέτρησης. Στις κατανομές φασματικής ισχύος (PSD) του σήματος της θερμοκρασίας αναγνωρίσθηκε ιδιοσυχνότηταπου υποδεικνύει την παρουσία δομής μεγάλης κλίμακας. Αναφορικά με το πεδίο σταγονιδίων παρατηρήθηκε ότι η παρουσία της επιφάνειας – στόχου επιβραδύνει τις δέσμες πρόσπτωσης ελαττώνοντας και τις διακυμάνσεις στην περιοχή του τοιχώματος. Η θέρμανση επηρεάζει τις μέσες και κυμαινόμενες ταχύτητες σε σημαντική απόσταση από την οριζόντια πλάκα, ενώ το μέγεθος των σταγονιδίων μειώνεται κατάντη της ροής με διαφορετικές τάσεις ως προς τον Re. Αυξημένες τιμές της μέσης διαμέτρου Sauter (D32) παρατηρούνται κοντά στην επιφάνεια ειδικά για την περίπτωση ισόθερμου ψεκασμού του υψηλότερου Re. Η θέρμανση της επιφάνειας έχει σημαντική επίπτωση στον περιορισμό της αυξητικής τάσης της παροχής αέρα λόγω συμπαράσυρσης, που είναι πιο εμφανής στις περιπτώσεις χαμηλού Re. / The interaction of a water mist jet with the thermally stratified turbulent field developing over a horizontal heated flat plate, in an open top cavity, is investigated experimentally. The physical phenomena dominating this interaction, besides their importance for theoretical thermo-fluids, influence a wide spectrum of applications including fuel injection in internal combustion engines and burners, electronics cooling, meteorology, fire extinguishing, deposition and coating processes etc. Water mist, generated in a nebulizer, is sprayed through a cylindrical orifice of internal diameter 4mm, vertically, towards the horizontal surface and at considerable distance from it (50cm). In order to establish a reference case data base, a significant part of the work refers to data collection and study on the thermal convection field characteristics, in the absence of the spray mist, as well as on the isothermal mist jet development. The interaction field has been investigated for mist jets of two Reynolds numbers and at two flat plate heating rates. The mist jet Reynolds numbers were rather low in order to enhance the influence of the plate and the flow structures generated due to buoyancy. Mean and turbulent characteristics of the spray (velocity and size) and the temperature distribution were monitored. A small thermocouple, significantly smaller than the Kolmogorov length scale, was used for temperature measurements. Droplet velocities and sizes were measured with Phase Doppler Anemometry, which also provided concentration and flux measurements. Moving plumes, often in the form of mushrooms, were identified as the dominant structures in the convection field. The form of temperature probability density functions was related to the past history of formation and heat exchange of air masses crossing the measuring point. An eigenfrequency, identified in the temperature power spectra indicates the presence of a large scale structure. The presence of the target plate decelerates the mist jets reducing also turbulent fluctuations close to the surface. Heating influences the mean and fluctuating velocities at considerable distance from the plate, reducing the rate of jet mass flux growth due to entrainment, more evidently for the low Re jet. Droplet sizes decrease downstream, presenting different trends in relation to Re. Increased values of the Sauter mean diameter (D32) are observed very close to the plate surface, particularly for the high Re number, isothermal jet.