Homogenizacija atmosfere z navpi?nimi curki

Dr. Rok Krpan, doc. dr. Ivo Kljenak in prof. dr. Iztok Tiselj z Odseka za reaktorsko tehniko Instituta »Jo�ef Stefan« so v reviji »Annals of Nuclear Energy« objavili znanstveni ?lanek z naslovom »Atmosphere homogenization induced by vertical jets in large enclosures«.

?lanek obravnava erozijo vodoravne plasti helija z navpi?nim curkom zraka v zaprti posodi. Pri obravnavanih poskusih pride do cirkulacije in nastanka stri�nega toka, kar lahko vodi do nastanka Kelvin-Helmholtzeve nestabilnosti. Poleg tega prisotnost la�jega plina (helija) v ni�jih podro?jih lahko vodi v nastanek Rayleigh-Taylorjeve nestabilnosti.

Slika: hitrostno polje med simulacijo eksperimenta izvedenega v napravi SPARC.

Pri nastalih pogojih (nestabilna stratifikacija in stri�ni tok) konvencionalni turbulentni modeli ne uspejo pravilno replicirati fizikalnih pojavov, saj predvidijo nastanek nestabilnosti, ?eprav jih med eksperimenti ni bilo zaznati. In sicer v podro?jih mo�nega nastanka omenjenih nestabilnosti je turbulentna viskoznost podcenjena, kar vodi v zmanjšanje hitrosti erozije in do zakasnele homogenizacije atmosfere.

V ?lanku je definirano lokalno Froudovo število, s katerim je mogo?e karakterizirati obnašanje curka v obmo?ju gradienta gostote neposredno med izra?uni. Poleg lokalnega Froudovega števila je v ?lanku še predlagan model za dinami?no predpisovanje turbulentnega Schmidtovega in turbulentnega Prandtlovega števila. Predlagani model kompenzira podcenjeno turbulentno viskoznost z ni�jimi predpisanimi vrednostmi turbulentnih števil, kar privede do boljšega popisa fizikalnih pojavov v izra?unih.

Slika: volumski dele� helija v razli?nih merilnih pozicijah. Rde?a krivulja predstavlja vrednosti izmerjene v eksperimentu, modra krivulja predstavlja rezultate simulacij s konstantno vrednostjo turbulentnega Schmidtovega števila, krivulja oker barve so rezultati simulacij z modelom za dinami?no predpisovanje turbulentnih števil avtorjev Venayagamoorthy and Stretch (2010), zelena krivulja pa rezultati simulacij z dinami?nim modelom predlaganim v tem ?lanku.

Predlagani model predstavlja razširitev turbulentnih modelov, ki se uporabljajo pri simulacijah homogenizacije atmosfere, in ga je mogo?e uporabiti v vsakem primeru, ne glede na za?etne in robne pogoje. Model namre? identificira podro?ja z mo�nim pojavom tokovnih nestabilnosti in temu primerno uporabi ni�ja turbulentna števila. ?e takšnih podro?ij ni, so u?inki modela zanemarljivi.