Treated and untreated liquid that is discharged from industrial and desalination plants is one of the main factors that break the ecological balance and destroys aquatic habitat in lakes, rivers and coastal areas where the effluent is discharged. Positively and negatively buoyant jets are two categories of outfalls which are generated because of the destiny difference between the effluent and ambient fluid. In order to ensure minimal impact of the effluent on the environment, it is necessary to estimate the dilution of the jet and compare it with environmental regulations on the level of required dilution to ensure that the concentration of the effluent is diluted quickly enough and the concentration of the effluent at different points does not exceed the allowed concentrations. This study investigated the positively buoyant jet, which happens near the coastal and near water area. For instance, cooling water that flows out from a power plant or factory, wasted water that is discharged from an industrial plant near river, submerged drainage from civil municipal sewer systems and treated water from desalination plant in coastal area. Density difference, velocity and inclined angle of the jet were considered as the main factors that contribute to the jet spreading and were compared to develop the best solution for its dilution. The jet was discharged inclined downward to allow for more mixing and dilution of the effluent with the ambient water. In order to simulate a positive jet, tap water was injected in saline ambient. A large number of experiments were conducted in the laboratory and using camera imaging. The jet trajectory was estimated from the images using image processing and the impact of various parameters such as Froude number and jet velocity were investigated. The opensource software OpenFOAM, was employed for numerical simulations which is a finite volume model ensures mass conservation and allows for flexible mesh size for further accuracy and optimization of computational cost. Using this Computational Fluid Dynamics (CFD) model, the numerical simulations were performed, and the results were compared with laboratory experiments. A Reynold-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach was employed in the numerical simulations which offers a good balance between accuracy and computational cost. It was found that the numerical model in conjunction with the second order turbulence model called Launder-Reece- Rodi model (LRR) had a reasonable agreement with the experimental data.

Yes / Results are presented from a numerical simulation to investigate the vertical buoyant wall jet discharged into a linearly stratified environment. A tracer transport model considering density variation is implemented. The standard k-ε model with the buoyancy effect is used to simulate the evolution of the buoyant jet in a stratified environment. Results show that the maximum jet velocity trend along vertical direction has two regions: acceleration region and deceleration region. In the deceleration region, jet velocity is reduced by the mixing taking place between jet fluid and ambient lighter fluid. Jet velocity is further decelerated by the upwards buoyant force when ambient fluid density is larger than jet fluid density. The normalized peak value of the cross sectional maximum jet velocity decreases with λ (the ratio between the characteristic momentum length and the buoyancy length). When λ<1, the dimensionless maximum penetration distance (normalized by the characteristic buoyancy length) does not vary much and has a value between 4.0 and 5.0, while it increases with increasing λ for λ≥1. General good agreements between the simulations and measurements are obtained, indicating that the model can be successfully applied to investigate the mixing of buoyant jet with ambient linearly stratified fluid. / Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC: EP/G066264/1), National Natural Science Foundation of China (51609214,41376099,51609213), National Natural Science Foundation for Distinguished Young Scholars of China (Grant No.51425901),Public Project of Zhejiang Province (2016C33095)

Dense wastewater discharges into marine environments can severely impact water bodies. This study addresses the disposal of hypersaline brines from desalination plants through multiport diffusers into seas and oceans. Accurate prediction of the mixing of discharges with the receiving water bodies is crucial for the optimal design of outfall systems. Designers can enhance mixing and increase dilution by modifying outfall properties. However, the interaction of discharges from multiport diffusers poses a significant challenge, impairing the mixing process. The main aim of this study is to improve multiport diffuser designs by limiting the negative effects of jet interaction on mixing. This research applies a three-dimensional numerical model, the Launder, Reece, and Rodi (LRR) turbulence model, to evaluate the predictive capabilities of the Reynolds Stress Models (RSM) for multiple dense jets and to explore the mixing characteristics and merging process of multiple jets. To validate the model, its predictions are compared with available experimental data. The LRR model showed good agreement with the experimental measurements, and the model outperformed the standard and re-normalization group (RNG) 𝑘−𝜀 turbulence models, making it a promising tool for studying the mixing behavior of multiport diffusers. This study proposes multiport diffusers with non-uniform port orientation as a means for mitigating the negative effect of jet mering on the mixing process and increasing dilution. Using the validated numerical model and the laser-induced fluorescence (LIF) technique, the effect of non-uniform port orientation on the mixing process is explored. The numerical results indicated that the orientation of adjacent jets significantly affected the behavior of individual jets. An individual jet exhibited a longer trajectory and higher dilution when its neighboring jets were disposed of with a different angle, compared to that of uniform discharges. Laboratory experiments on uniform and non-uniform diffusers, with varying port angles in the range of highest reported dilution rates for single discharges (40o-70o), are reported, and the major flow properties and merging processes are compared. Investigations revealed that non-uniform diffusers achieved overall higher mean dilutions due to different mixing behavior in the interaction zones. Non-uniform port orientation provided more space between the jets to expand before interacting with their neighbors, resulting in higher dilutions. This study challenges the application of formulae obtained from single discharge experiments for multiport diffuser designs and emphasizes the importance of considering source characteristics specific to multiport diffusers, such as angle difference, for efficient desalination outfall. The new data and analysis provided in this study can benefit the design of desalination discharge systems with considerable potential cost savings, especially for tunneled outfalls, due to shorter diffusers with non-uniform port orientations and environmental risk reductions.

Artificial intelligence techniques have been widely used for prediction in various areas of sciences and engineering. In the thesis, applications of AI techniques are studied to predict the dilution of industrial outfall discharges. The discharge of industrial effluents from the outfall systems is broadly divided into two categories on the basis of density. The effluent with density higher than the water receiving will sink and called as negatively buoyant jet. The effluent with density lower than the receiving water will rise and called as positively buoyant jet. The effluent discharge in the water body creates major environmental threats. In this work, negatively buoyant jet is considered. For the study, ANFIS model is taken into consideration and incorporated with algorithms such as GA, PSO and FFA to determine the suitable model for the discharge prediction. The training and test dataset for the ANFIS-type models are obtained by simulating the jet using the realizable k-ε turbulence model over a wide range of Froude numbers i.e. from 5 to 60 and discharge angles from 20 to 72.5 degrees employing OpenFOAM platform. Froude number and angles are taken as input parameters for the ANFIS-type models. The output parameters were peak salinity (Sm), return salinity (Sr), return point in x direction (xr) and peak salinity coordinates in x and y directions (xm and ym). Multivariate regression analysis has also been done to verify the linearity of the data using the same input and output parameters. To evaluate the performance of ANFIS, ANFIS-GA, ANFIS-PSO, ANFIS-FFA and multivariate regression model, some statistical parameters such as coefficient of determination (R2), root mean squared error (RMSE), mean absolute error (MAE) and average absolute deviation in percentage are determined. It has been observed that ANFIS-PSO is better in predicting the discharge characteristics.

Οι ροές φλεβών άνωσης παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον στην περιβαλλοντική υδραυλική και στη μηχανική των ρευστών, επειδή εμφανίζονται σε αρκετά φαινόμενα που σχετίζονται με τη διάθεση υγρών αποβλήτων ή θερμικών απορρίψεων σε υδάτινους αποδέκτες καθώς επίσης και την εκπομπή αερίων ενώσεων από καμινάδες στην ατμόσφαιρα. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετήθηκε η ροή κεκλιμένης δισδιάστατης ή κυκλικής ανωστικής φλέβας εντός ακίνητου ή κινούμενου αποδέκτη και η αλληλεπίδραση μεταξύ ανωστικών φλεβών. Στα υπάρχοντα μαθηματικά μοντέλα, ο υπολογισμός του πεδίου ροής και διάχυσης μιας κεκλιμένης ανωστικής φλέβας πραγματοποιείται επιλύοντας το σύστημα των διαφορικών εξισώσεων της συνεχείας, της ορμής και της διατήρησης της μάζας του ιχνηθέτη, για τη μέση ροή, σε ένα καρτεσιανό ή κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων. Με αυτό τον τρόπο όμως, παραλείπονται όροι από τις εξισώσεις που προσδίδουν μεγαλύτερη ακρίβεια. Ακόμη, το φαινόμενο της αποκόλλησης μαζών από την ανωστική φλέβα έχει μεν παρατηρηθεί σε πειραματικές εργασίες διαφόρων ερευνητών αλλά δεν έχει προσδιοριστεί ποσοτικά. Μία ακόμη αδυναμία που χαρακτηρίζει τα υπάρχοντα μαθηματικά μοντέλα, είναι ότι θεωρούν τον αποδέκτη απεριορίστων διαστάσεων με συνέπεια τα αποτελέσματά τους να μην ακολουθούν τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα, τα οποία φέρουν την επιρροή των ορίων, αφού πρακτικά δεν γίνεται να πραγματοποιηθούν σε αποδέκτες απεριορίστων διαστάσεων. Η παρούσα Διατριβή επιχειρεί να συμβάλλει στη βελτίωση των παραπάνω αδυναμιών, προτείνοντας τη μαθηματική περιγραφή της ελεύθερης κεκλιμένης τυρβώδους ανωστικής φλέβας σε ένα καμπυλόγραμμο ορθογώνιο ή κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων, ώστε να επιτευχθεί καλύτερη ακρίβεια στον υπολογισμό των μέσων χαρακτηριστικών της ροής. Επίσης, αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μοντέλο, το οποίο προσομοιώνει τη διαφυγή των μαζών που αποκολλώνται από το σώμα της ανωστικής φλέβας, και όπως φαίνεται, τα δύο αυτά στοιχεία επηρεάζουν τόσο την τροχιά της φλέβας όσο και την αραίωση. Στο σημείο αυτό, η παρούσα Διατριβή χρησιμοποιεί τη μέθοδο της συμμετρικής εικονικής πηγής για την απόκτηση λύσης του προβλήματος σε ημίχωρο. Θεωρείται, λοιπόν, κατοπτρικά ως προς το όριο όμοια εικονική πηγή με την πραγματική, ανωστική φλέβα, η οποία αλληλεπιδρά δυναμικά με την ανωστική φλέβα της πραγματικής πηγής. Τέλος, τα ανωτέρω συνδυάζονται στην ανάπτυξη ενός μοντέλου, το οποίο υπολογίζει τα χαρακτηριστικά του πεδίου μέσης ροής και διάχυσης από την αλληλεπίδραση N κατακορύφων ανωστικών φλεβών σε διάταξη τύπου ροζέτας εντός ήρεμου αποδέκτη. Το μοντέλο αυτό παρέχει ακρίβεια 2ης τάξης. Η παρούσα διατριβή αναπτύσσεται σε έξι κεφάλαια. Στο πρώτο Κεφάλαιο, πραγματοποιείται μια εισαγωγή στο αντικείμενο της Διατριβής. Αναφέρονται τα πεδία στα οποία συναντώνται φαινόμενα ροών από ανωστικές φλέβες και η πρακτική σημασία τους. Επίσης, αναφέρονται οι στόχοι οι οποίοι επιδιώκονται μέσω της Διατριβής. Το δεύτερο Κεφάλαιο, περιέχει βιβλιογραφική ανασκόπηση, στην οποία αναφέρονται τα κυριότερα μαθηματικά μοντέλα για τις περιπτώσεις των ελευθέρων και των πολλαπλών κυκλικών ή δισδιάστατων ανωστικών φλεβών. Επίσης, παρουσιάζονται οι σημαντικότερες διαθέσιμες ερευνητικές εργασίες διεξαχθέντων συναφών πειραμάτων, των οποίων οι μετρήσεις χρησιμοποιούνται στον έλεγχο των αποτελεσμάτων, τα οποία προκύπτουν από την εφαρμογή των μαθηματικών μοντέλων που αναπτύσσονται στην παρούσα Διατριβή. Στο τρίτο Κεφάλαιο, αναπτύσσονται τα υποστηρικτικά μοντέλα, τα οποία ενσωματώνονται στο γενικότερο μαθηματικό μοντέλο υπολογισμού των κεκλιμένων ανωστικών φλεβών και στο μοντέλο της αλληλεπίδρασής τους. Αρχικώς, κατασκευάζεται το σύστημα το καμπυλογράμμων ορθογωνίων και κυλινδρικών συντεταγμένων και διατυπώνονται οι εξισώσεις της συνεχείας, της ορμής και της διατήρησης της μάζας του ιχνηθέτη για τη μέση ροή στο αντίστοιχο σύστημα. Στην συνέχεια, περιγράφεται η ανάπτυξη του μοντέλου για τον πυρήνα της Ζώνης Εγκατάστασης της Ροής, το οποίο υπολογίζει τις πραγματικές εγκάρσιες κατανομές των ταχυτήτων και των συγκεντρώσεων ξεκινώντας από την έξοδο του ακροφυσίου έως το πέρας του πυρήνα. Τέλος, αναπτύσσεται το μαθηματικό μοντέλο, το οποίο περιγράφει τη διαφυγή των μαζών που αποκολλώνται από το πεδίο ροής μιας κεκλιμένης δισδιάστατης ή κυκλικής τυρβώδους ανωστικής φλέβας. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται ένα ολοκληρωμένο μαθηματικό μοντέλο για μια κεκλιμένη δισδιάστατη ή κυκλική τυρβώδη ανωστική φλέβα σε ήρεμο ή κινούμενο αποδέκτη, το οποίο ενσωματώνει τα επί μέρους μοντέλα του τρίτου Κεφαλαίου. Το μοντέλο, συγκρίνεται με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας και ταυτοχρόνως ρυθμίζεται η προσομοίωση της διαφυγής των μαζών που αποκολλώνται. Στο πέμπτο Κεφάλαιο εξετάζεται η αλληλεπίδραση μεταξύ τυρβωδών ανωστικών φλεβών. Στο πρώτο μέρος του Κεφαλαίου προτείνεται ένα μοντέλο 2ης τάξης, το οποίο υπολογίζει τα χαρακτηριστικά του μέσου πεδίου ροής και διάχυσης από την αλληλεπίδραση Ν κατακορύφων κυκλικών ανωστικών φλεβών από διαχύτη τύπου ροζέτας. Στο δεύτερο μέρος, μελετάται η δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ ανωστικών φλεβών. Αναπτύσσεται το σύστημα των εξισώσεων, το οποίο ενσωματώνει τη δυναμική αλληλεπίδραση, και αντιμετωπίζεται η ύπαρξη στερεών ορίων στο πεδίο ροής ανωστικής φλέβας μέσω της αλληλεπίδρασης των ανωστικών φλεβών από την πραγματική και τη συμμετρική εικονική της πηγή. Στο έκτο Κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα, τα οποία προκύπτουν από την εφαρμογή των διαφόρων μαθηματικών μοντέλων της Διατριβής, τα οποία εν συντομία, είναι τα εξής: • Αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μοντέλο, το οποίο υπολογίζει με πολύ μεγάλη ακρίβεια την κεκλιμένη δισδιάστατη ή κυκλική τυρβώδη ανωστική φλέβα, για αρχικές γωνίες κλίσης -75° ≤ θ0 ≤ 90°. • Η προσομοίωση της διαφυγής των μαζών, που αποκολλώνται από την ανωστική φλέβα, προσεγγίζει ακριβέστερα την τροχιά των κεκλιμένων φλεβών, όπως αυτή προσδιορίζεται από τις πειραματικές μετρήσεις. • Λόγω έλλειψης πειραματικών δεδομένων για την περίπτωση της κεκλιμένης δισδιάστατης τυρβώδους ανωστικής φλέβας, ο συντελεστής Λ, που χαρακτηρίζει τις αποκολλήσεις, λαμβάνεται ίσος με 0,06, για την περίπτωση όπου θ0 = 0°. • Για την κεκλιμένη κυκλική τυρβώδη ανωστική φλέβα, προτείνεται Λ = 0,34 για -75° ≤ θ0 ≤ -15° και Λ = 0,00 για -15° < θ0 ≤ 90°, δηλώνοντας ότι οι διαφυγές σε αυτές τις γωνίες είναι αμελητέες. • Προβλέπεται με χαρακτηριστική ακρίβεια το εξωτερικό όριο των κεκλιμένων κυκλικών τυρβωδών ανωστικών φλεβών και με ικανοποιητική ακρίβεια η τροχιά, συγκριτικά με τα διαθέσιμα αποτελέσματα των αντιστοίχων πειραμάτων. Η σύγκριση του εσωτερικού ορίου εξαιτίας της ύπαρξης των διαφυγών είναι δυσδιάκριτη και πιθανόν να εμπεριέχει σφάλματα. • Ο υπολογισμός των χαρακτηριστικών της ροής, από την αλληλεπίδραση N κατακορύφων κυκλικών τυρβωδών ανωστικών φλεβών από διαχύτη τύπου ροζέτας εντός ήρεμου αποδέκτη, δίνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα συγκρινόμενα με τα υπάρχοντα πειραματικά και θεωρητικά δεδομένα • Η αλληλεπίδραση Ν ομοίων ή διαφορετικών δισδιάστατων ή κυκλικών τυρβωδών ανωστικών φλεβών αντιμετωπίζεται χρησιμοποιώντας τη θεωρία του δυναμικού πεδίου. • Η αντιμετώπιση των εξωτερικών ορίων, χρησιμοποιώντας τη δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ ανωστικών φλεβών δίνει ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Τέλος, στα Παραρτήματα περιγράφεται αναλυτικώς η μαθηματική ανάπτυξη του κάθε μοντέλου και δίνονται σε μορφή διαγραμμάτων τα θεωρητικά αποτελέσματα με τα αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα για τα διάφορα χαρακτηριστικά των κεκλιμένων κυκλικών ανωστικών φλεβών. / In this Doctoral Thesis a mathematical model that predicts the mean flow and mixing parameters of inclined plane and round turbulent jets in a stationary or moving uniform fluid environment is developed. Also, the interaction of multiple buoyant jets is mathematically examined. The existing mathematical models predict the mean flow and mixing properties of an inclined plane and round turbulent buoyant jets in a uniform stationery or moving environment solving the system of partial differential equations of continuity momentum and tracer conservation of mass written in cartesian or cylindrical coordinates. By this way, the terms that give a better precision are omitted. Also, the escaping masses from the main buoyant jet flow that are experimentally observed are not quantified. Furthermore, these models assume that the receiver is infinite so the predicted properties do not coincide to experimental data. These experimental data are affected by the boundaries as the experiments cannot be conducted in boundless environment. The present Thesis, attempts to improve the aforementioned weaknesses. In this Thesis, a mathematical description of an inclined turbulent plane or round buoyant jet is proposed, where the partial differential equations for continuity, momentum and tracer conservation are written in orthogonal and cylindrical curvilinear coordinates in order to achieve better accuracy of the mean flow and mixing parameters. The escaping masses from the main buoyant jet flow are simulated, and the model can be successfully applied to initial discharge inclinations θ0 from 90° to -75° with respect to the horizontal plane. This is based on the idea that masses may escape from the buoyant jet zones where considerable intermittency occurs and entrainment shows large variations having a very weak, zero or negative mean value and at the same time some buoyant chunks lose their inertia due to reversal motions imposed by the large eddies. Thus, the only governing force on these masses is buoyancy. This complementary approach introduces a concentration coefficient, called Λ, which is calibrated using experimental evidence. This phenomenon is sharper in motionless environment. The present model has incorporated the second-order approach and, regarding the jet-core region, a jet-core model based on the advanced integral model for the production of more correct transverse profiles of the mean axial velocities and mean concentrations than the common Gaussian or top-hat profiles. The partial differential equations for momentum and tracer conservation are written in orthogonal and cylindrical curvilinear coordinates for inclined plane and round buoyant jets, respectively, and they are integrated under the closure assumptions of (a) quasi-linear spreading of the mean flow and mixing fields, and (b) known transverse profile distributions. The integral forms are solved by employing the Runge–Kutta algorithm. This model is applied to predict the mean flow properties (trajectory characteristics, mean axial velocities and mean concentrations) for inclined plane and round buoyant jets. The results predicted are compared with experimental data available in the literature, and the accuracy obtained is more than satisfactory. The best values of Λ were found to be in the range from 0.30 to 0.42, indicating a mean value ± standard deviation of Λ = 0.344 ± 0.053 for -75° ≤ θ0 ≤ -15°. Thus Λ = 0.34 is adopted as the suitable value for all cases of round buoyant jets with -75° ≤ θ0 ≤ -15°, while for the rest range -15° < θ0 ≤ 90° the pertinent value is Λ = 0. For the inclined plane buoyant jets, the available experimental data are rather restricted to only trajectories and concentrations of horizontal discharges, which allow the determination of a suitable value Λ = 0.08. The Entrainment Restriction Approach is employed in interacting round buoyant jets discharged vertically upwards from a rosette type diffuser into a calm environment. Incorporating the second order approach, the prediction of the mean-flow properties achieves better accuracy. The present Thesis solves the interaction of N identical or not inclined turbulent plane or round buoyant jets using the potentional theory. The occurrence of boundaries is handled via the method of symmetric virtual origin. A mirror image to the boundary, which is identical to the real buoyant jet, is assumed that dynamically interacts with the buoyant jet issued form the real source.

Discharge of brine wastewater produced from industrial plants into adjacent coastal water bodies is considered as a preferable and common method currently used in many offshore industrial plants. Therefore, it is important to carefully study the behavior of jets and their environmental impacts on water bodies close to the discharge points, especially when the density is different between the jets and the receiving water. The main goal of this study is to improve the understanding of the mixing behaviour of jet trajectories for positively (offset) and negatively (inclined) buoyant jets when density is considered a significant factor, and also to examine the accuracy of some RANS turbulence models and one type of artificial neural network in predicting jet trajectory behaviours. In the first part of this study, experiments using a PIV system for offset buoyant jets were conducted in order to study the effect of the density differences (due to salinity [nonthermal] or temperature [thermal]) between the discharge and the receiving water body on the jet behavior, and the results showed that the nonthermal jets behaved differently as compared to the thermal jets, even though the densimetric Froude numbers (Frd) and density differences (∆ρ) were similar. In addition, a Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) numerical model was performed using open-source CFD code (OpenFOAM) with a developed solver (modified form of the pisoFoam solver). The realizable k-ε model showed the best prediction among the models. Secondly, an extensive experimental study of an inclined dense jet for two angles (15°and 52°) was conducted to study the effect of these angles on the jets’ geometrical characteristics in the presence of a wide range of densimetric Froude numbers as well as with different discharge densities. More experimental data were obtained for these angles to be added to the previous data for the purpose of calibrating, validating, and comparing the various numerical models for future studies. The results of these experiments are used to evaluate the performance of a type of artificial neural network method called the group method of data handling (GMDH), and the GMDH results are then compared with existing analytical solutions in order to prove the accuracy of the GMDH method in simulating mixing behaviors in water bodies. Thirdly, a comprehensive study on predicting the geometrical characteristics of inclined negatively-buoyant jests using GMDH approach was conducted. The superiority of this model was demonstrated statistically by comparing to several previous analytical models. The results obtained from this study confirm that the GMDH model was highly accurate and was the best among others for predicting the geometrical characteristics of inclined negatively-buoyant jests.

Nous cherchons à modéliser numériquement un jet flottant air-hélium dans une cavité avec deux ouvertures à partir de simulations aux grandes échelles (LES) et de simulations numériques directes (DNS). La configuration considérée est basée sur une étude expérimentale menée au CEA de Saclay reproduisant une fuite d'hydrogène en environnement confiné. La dimension de la cavité a été choisie pour permettre une transition laminaire-turbulent intervenant environ à la mi-hauteur de la cavité. Cette étude porte principalement sur trois points majeurs : l'influence des conditions aux limites sur le développement du jet et son interaction avec l'environnement extérieur, la validité du modèle numérique qui est analysée en comparant la distribution de vitesse obtenue numériquement aux mesures expérimentales (PIV) et, enfin, la compréhension de la distribution air-hélium et le phénomène de stratification qui s'établit à l'intérieur de la cavité. Nous observons dans un premier temps que des conditions limites de pression constante appliquées directement au ras des évents conduisent à une sous-estimation du débit volumique d'air entrant dans la cavité et donc à une surestimation de la masse de l'hélium à l'intérieur de la cavité, ce qui n'est pas acceptable dans un contexte d'évaluation du risque hydrogène. En revanche, la prise en compte, dans le domaine de calcul, d'une région extérieure à la cavité prédit correctement le flux d'air entrant. Les résultats numériques sont alors en bon accord avec les données PIV. Il a été montré que les prédictions de la DNS, par rapport à la LES, concordent mieux avec les mesures de vitesse par PIV. Le champ de concentration prédit numériquement présente une couche homogène en haut de la cavité, dont la concentration est en accord avec le modèle théorique de Linden et al. 1990. Cependant, sa position et son épaisseur ne correspondent pas au modèle. Ceci est principalement dû aux interactions directes entre le jet flottant et, d'une part, avec les limites solides de la cavité et d'autre part, avec l'environnement extérieur. L'analyse statistique concernant la production de la flottabilité de l'énergie cinétique turbulente (TKE) a permis d'identifier les limites du jet flottant. / We present numerical results from large eddy simulations (LES) and coarse direct numerical simulations (DNS) of an air-helium buoyant jet rising in a two vented cavity. The geometrical configuration mimics the helium release experimental set-up studied at CEA Saclay in the framework of security assessment of hydrogen-based systems with an indoor usage. The dimension of the enclosure was chosen to ensure a laminar-turbulent transition occurring at about the middle height of the cavity. This study focuses mainly on three key points : the influence of the boundary conditions on the jet development and its interaction with the exterior environment, the validity of the numerical model which is analyzed by comparing the numerical velocity distribution versus the measured particle image velocimetry (PIV) ones, and finally understanding the distribution of air-helium and the stratification phenomenon that takes place inside the cavity. We observe at first that applying constant pressure outlet boundary conditions directly at the vent surfaces underestimates the volumetric flow rate of air entering the enclosure and thus overestimate the helium mass inside the cavity. On the contrary, modelling an exterior region in the computational domain better predicts the air flow-rate entrance and numerical results matches better with the experimental PIV data. It has been figured out that the coarse DNS predictions match better with the velocities PIV measurements, compared to the LES. Numerical prediction of the helium field depicts a homogeneous layer formed at the top of the cavity, with a concentration in good agreement with the theoretical model of Linden et al. 1990. However, the position and the thickness of the layer do not correspond to the theory. This is mainly due to the direct interactions between the buoyant jet and both the solid boundaries of the cavity and the exterior environment. Statistical analysis regarding the buoyancy production of the turbulent kinetic energy (TKE) served to identify the limits of the buoyant jet.

Le but de ce travail de recherche est de contribuer à une meilleure compréhension de la dynamique de propagation et de la miscibilité de jets gravitaires au-dessous d’un liquide ambiant. Des expériences ont été réalisées en laboratoire à l’aide d’une plateforme expérimentale constituée d’un bassin parallélépipédique contenant de l’eau douce et d’un canal d’injection de section rectangulaire de jets gravitaires de concentration constante initiale fixée. Les calculs mathématiques et numériques sont basés sur les modèles RANS (Reynolds-Averaged Navier Stokes equations), k-ε (K-epsilon) et DCE (Diffusion-Convective Equation) de la fraction volumique de l’eau salée pour décrire la propagation et le mélange du jet gravitaire. L’évolution du front du jet obtenue expérimentalement est utilisée pour valider le modèle numérique. Par ailleurs, la comparaison des résultats obtenus sur l’écoulement moyen (z⁄z0.5 =U/Umax) avec ceux des études 2D expérimentales et numériques antérieures ont montré des similarités. La simulation numérique des champs hydrodynamiques montre que la vitesse maximale est atteinte à la position 0.18 z0.5, où z0.5 est la hauteur d’eau pour laquelle la vitesse moyenne u est égale à la moitié de la vitesse maximale Umax. / The aim of this investigation is to contribute to a better understanding of the propagation dynamics and the mixing process of dense gravity currents. The Laboratory experiments proceeded with a fixed initial gravity current concentration in one experimental set-up. The gravity currents are injected using a rectangular injection channel into a rectangular basin containing the ambient lighter liquid. The injection studied is said in unsteady state volume, as the Reynolds number lies in the range 1111 - 3889. The experiments provided the evolution of the boundary interface of the jet, and it is used to validate the numerical model. The numerical model depends on the Reynolds-Averaged Navier Stokes equations (RANS). The k-ε (K-epsilon) and the Diffusion-Convective Equation (DCE) of the saline water volume fraction were used to model the mixing and the propagation of the gravity current jet. On the other hand, comparison of the mean flow (z⁄z0.5 =U/Umax) with previous two-dimensional numerical simulations and experimental measurements have shown similarities. The numerical simulations of the hydrodynamic fields indicate that the velocity maximum at 0.18 z0.5, where z0.5 is the height at which the mean velocity u is the half of the maximum velocity Umax.

En este estudio se han construido dos diferentes instalaciones para investigar primero los chorros de gas horizontales y en segundo lugar los chorros verticales de agua que impactan sobre superficies libres de fluido, también se ha desarrollado un modelo numérico integral para predecir las trayectorias de estos jets y sus parámetros más importantes, validándose con los resultados experimentales obtenidos. En la primera parte de este trabajo, se han realizado experimentos para investigar el comportamiento de chorros de gas horizontales penetrando en agua. Los resultados experimentales indicaron que la longitud de penetración de los chorros de gas está fuertemente influenciada por el diámetro de la boquilla y el número de Froude, así como con el flujo de masa de de entrada y su momento. Aumentar el número de Froude y el diámetro del inyector lleva a aumentar la inestabilidad de jet. Además, la máxima ubicación antes de jet pinch-off se muestra que mantiene una relación logarítmica con el número de Froude para todos los diámetros de jet. Se han desarrollado correlaciones empíricas para predecir estos parámetros. Se ha desarrollado un modelo basado en la integración de las ecuaciones de conservación para que resulte útil en el diseño de aplicaciones en las que participen chorros horizontales así como para asistir a la investigación experimental. Las predicciones del modelo integral se comparan con los datos de los datos experimentales obtenidos con muy buenos resultados. En la segunda parte de este trabajo, se realizaron una serie de experimentos con de chorros de agua, inyectados verticalmente hacia abajo, a través de toberas circulares que impactan sobre una superficie de agua. Los resultados obtenidos mostraron que la profundidad de penetración de la burbuja disminuye con la longitud del chorro, pero que después de ciertas condiciones se mantiene casi constante. Además ésta aumenta con los diámetros de la boquilla y la velocidad del chorro. La velocidad de arrastre / Harby Mohamed Abd Alaal, K. (2012). Experimental and Theoretical Study of the Characteristics of Submerged Horizontal Gas Jets and Vertical Plunging Water Jets in Water Ambient [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18065 / Palancia

Οι ροές φλεβών άνωσης έχουν πολύ μεγάλο ενδιαφέρον στην περιβαλλοντική υδραυλική και στη μηχανική των ρευστών, επειδή παρουσιάζονται σε αρκετά φαινόμενα που σχετίζονται με τη διάθεση υγρών αποβλήτων ή θερμών νερών σε υδάτινους αποδέκτες καθώς επίσης και την εκπομπή αερίων ενώσεων από καμινάδες στην ατμόσφαιρα. Στην παρούσα διατριβή διπλώματος ειδίκευσης μελετήθηκε η ανάπτυξη ενός μοντέλου που περιγράφει το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης φλεβών από διαχύτη τύπου ροζέτας. Η ροζέτα προσομοιώνεται με ένα κύκλο στον οποίο είναι εγγεγραμμένο κανονικό πολύγωνο Ν πλευρών, στις κορυφές του οποίου εδράζονται τα Ν κατακόρυφα ακροφύσια. Λόγω γεωμετρικής και υδραυλικής συμμετρίας του φαινομένου, μελετάται η μία φλέβα από την ομάδα των Ν φλεβών που συμμετέχουν. Η μέση ροή και η μεταφορά μάζας σε μία τέτοια φλέβα περιγράφονται από την ολοκλήρωση των εξισώσεων συνέχειας, ορμής και διάχυσης. Επίσης, έγινε η σύγκριση μεταξύ του συγκεκριμένου μοντέλου και δεδομένων από τη σχετική βιβλιογραφία. Σκοπός της εργασίας, είναι η ανάπτυξη ενός μοντέλου που να περιγράφει το πεδίο ταχυτήτων και διάχυσης που δημιουργείται από την αλληλεπίδραση φλεβών, όταν αυτές εκρέουν από μια ροζέτα. Η αναγκαιότητα και χρησιμότητα της προσέγγισης του φαινομένου, είναι η εξαγωγή συμπερασμάτων για την εφαρμογή τους στην ολοένα αυξανόμενη χρήση διαχυτών τέτοιου τύπου. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας παρουσιάζεται η περιγραφή του φαινομένου της εκροής μιας φλέβας. Δίνονται κάποια εισαγωγικά στοιχεία που προσδιορίζουν τις ανωστικές φλέβες και τα γενικά χαρακτηριστικά τους και γίνεται αναφορά στο φαινόμενο της τύρβης που αποτελεί βασικό κομμάτι της ροής σε μία φλέβα. Στο δεύτερο μέρος του κεφαλαίου, παρουσιάζονται οι βασικές εξισώσεις, της συνέχειας, της ορμής και της διάχυσης, που περιγράφουν τη ροή μίας φλέβας με άνωση και εξάγονται οι ίδιες εξισώσεις για την τυρβώδη ροή φλέβας, χρησιμοποιώντας τους κανόνες μεσοποίησης του Reynolds, ολοκληρωμένες σε μία εγκάρσια διατομή της φλέβας. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης των φλεβών. Δίνεται σχηματικά το πεδίο που προκύπτει από την αλληλεπίδραση και γίνεται αναφορά σε μεθόδους που έχουν χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπισή του. Στο τρίτο κεφάλαιο, αναπτύσσεται το μοντέλο για την αλληλεπίδραση φλεβών από διαχύτη τύπου ροζέτας. Αρχικά, παρουσιάζεται συνοπτικά το μοντέλο των Yannopoulos & Noutsopoulos (2005) για την αλληλεπίδραση φλεβών σε σειρά, στη λογική του οποίου αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης φλεβών από ροζέτα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η εξέλιξη του φαινομένου. Χρησιμοποιώντας την ολοκληρωματική μεθόδο και τη Μέθοδο Περιορισμού της Συμπαράσυρσης, επιλύεται το σύστημα των εξισώσεων ορμής στη διεύθυνση z και της εξίσωσης διατήρησης της μάζας του χημικού δείκτη. Από την επίλυση του συστήματος εξάγονται οι εξισώσεις που περιγράφουν την κατανομή των μέσων αξονικών ταχυτήτων και των συγκεντρώσεων των Ν φλεβών. Για την καλύτερη απεικόνιση των αποτελεσμάτων, δίνονται οι λόγοι της κατανομής της ταχύτητας και της συγκέντρωσης των Ν φλεβών ως προς την κατανομή της ταχύτητα και της συγκέντρωσης, αντίστοιχα, της μιας κυκλικής κατακόρυφης ανωστικής φλέβας. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής του μοντέλου που έχει αναπτυχθεί, για τις περιπτώσεις ροζετών με Ν=3, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 24 και με άπειρο αριθμό ακροφυσίων. Στο δεύτερο μέρος του κεφαλαίου, γίνονται οι συγκρίσεις με τα δεδομένα από τη βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής του μοντέλου για άπειρο πλήθος ακροφυσίων, συγκρίνονται με τα αποτελέσματα του μοντέλου για αλληλεπίδραση απείρων φλεβών των Yannopoulos & Noutsopoulos (2005). Σε αυτή τη σύγκριση δεν παρατηρήθηκαν αποκλίσεις μεταξύ τους. Ακόμη, συγκρίνονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής του μοντέλου της παρούσας εργασίας για ροζέτα με 8 και 12 ακροφύσια με τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα των Roberts & Snyder (1993). Οι αποκλίσεις είναι μικρότερες του πειραματικού σφάλματος το οποίο υπεισέρχεται στα πειράματα. / Buoyant flows are of great interest in environmental fluid mechanics and hydraulics, because they occur in many phenomena related to wastewater or heat disposal into water bodies. Similar flows take place when chimney or cooling tower emissions of smoke and other air pollutants or heat are released into the atmosphere. In this project a model was developed which describes the phenomenon of interaction of jets discharging from a rosette riser. A circle in which a horizontal equilateral polygon of N sides is inscribed, has modeled the rosette riser. The N vertical nozzles are laying on the apexes of the polygon. Due to geometric and hydraulic symmetry of the phenomenon, one buoyant jet of the group of N jets was studied. The mean flow and mass transfer in a jet of this kind are governed by the integral forms of the equations of continuity, momentum at the vertical direction and mass conservation of tracer. Furthermore, the specific model was compared to experimental data. The aim of the project is the development of a model describing the mean axial velocity distribution and mean concentration distribution, which are produced of the interaction of jets when they discharge vertically from a rosette riser. The necessity of this approach is the extraction of useful results in order to design such kind of diffuser systems. In the first chapter, there is a description of the discharged effluent. Some preliminary elements that determine buoyant jets and their general characteristics are given. Also, there are some preliminary elements about turbulence that constitutes great part of jet flow. In the second part of this chapter, there are the equations of continuity, momentum and mass conservation of tracer, which describe the turbulent flow, utilizing the Reynolds’ rules. These equations are integrated across the flow. In the second chapter the phenomenon of jet interaction is described. Also, it is given, schematically, the merged flow field and the methods and techniques that have been used to face up the problem in the past. In the third chapter, it is shown the development of the model for jet merging from a rosette riser and the process of the phenomenon. Using the Integral Method and adopting the Entrainment Restriction Approach, the system of the equations of momentum and mass conservation of tracer was solved, extracting the axial velocity and concentration distributions. To better quantify the buoyant jet interaction and illustrate it in simple diagrams, these expressions were divided on both sides by the corresponding analytical expressions of the round vertical turbulent buoyant jet, determining the axial velocities and concentrations ratios. In the last chapter, we demonstrate the results from applying the model for N=3, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 24 ports per riser. There is also an application of the model for infinite number of nozzles. In the second part of this chapter, it is shown the comparisons of the results with other data. The results of the application of the model of infinite number of nozzles were compared with the model for an infinite row of interacting buoyant jets (Yannopoulos & Noutsopoulos, 2005). There are no deviations between the models. Also, there is a comparison between the application of the model for 8 and 12 nozzles with the experimental data of Roberts and Snyder (1993). The deviations in this case were less than the experimental error, which took place in the experiments.