Homogenizacija atmosfere z navpičnimi curki

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

Članek obravnava erozijo vodoravne plasti helija z navpičnim curkom zraka v zaprti posodi. Pri obravnavanih poskusih pride do cirkulacije in nastanka strižnega toka, kar lahko vodi do nastanka Kelvin-Helmholtzeve nestabilnosti. Poleg tega prisotnost lažjega plina (helija) v nižjih področjih lahko vodi v nastanek Rayleigh-Taylorjeve nestabilnosti.

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

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

V članku je definirano lokalno Froudovo število, s katerim je mogoče karakterizirati obnašanje curka v območju gradienta gostote neposredno med izračuni. Poleg lokalnega Froudovega števila je v članku še predlagan model za dinamično predpisovanje turbulentnega Schmidtovega in turbulentnega Prandtlovega števila. Predlagani model kompenzira podcenjeno turbulentno viskoznost z nižjimi predpisanimi vrednostmi turbulentnih števil, kar privede do boljšega popisa fizikalnih pojavov v izračunih.

Slika: volumski delež helija v različnih merilnih pozicijah. Rdeča 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 dinamično predpisovanje turbulentnih števil avtorjev Venayagamoorthy and Stretch (2010), zelena krivulja pa rezultati simulacij z dinamičnim modelom predlaganim v tem članku.

Predlagani model predstavlja razširitev turbulentnih modelov, ki se uporabljajo pri simulacijah homogenizacije atmosfere, in ga je mogoče uporabiti v vsakem primeru, ne glede na začetne in robne pogoje. Model namreč identificira področja z možnim pojavom tokovnih nestabilnosti in temu primerno uporabi nižja turbulentna števila. Če takšnih področij ni, so učinki modela zanemarljivi.