Two‐phase modelling of thermal dissipation in a natural basin

Abstract

The state of two‐phase flow ‘liquid‐gas’ has been modeled numerically by the three‐dimensional method of complex research of heat and mass transfer. This allows examining the interaction of some transfer processes in a natural cooling basin (the Drūkšiai lake): the wind power and direction, variable water density, the coefficient of heat conduction and heat transfer of the water‐air interface. Combined effect of these natural actions determines the heat amount that the basin is able to dissipate to the surrounding atmospheric media in thermal equilibrium (without changes in the mean water temperature). This paper presents a number of the most widely used expressions for the coefficients of vertical and horizontal heat transfer. On the basis of stream velocity and mean temperature profiles measured in the cooling pond as well as on that of their time variations suggestions are made that the mixing rate at the water surface is caused by natural space ‐ time variation of the wind, and can be described by the value of eddy viscosity coefficient ‐ 1 m²/s (numerical modeling with 0,9–1,3 m²/s). The wind influences the surface of the lake according to the experimental data, i e 1–3% of the mean wind velocity. The model applies to the weakly wind, approximately 1–5 m/s of the mean wind velocity. Comparison of experimental and numerical results showed a qualitative agreement. For a better quantitative approximation, it is necessary to have more boundary conditions variable with time and to solve unsteady set equations for transfer processes.

Šiluminės disipacijos natūraliame baseine dvifazis modeliavimas

Santrauka. Dvifazis matematinis modelis skystis‐dujos taikomas atliekant skaitinį trimačių pernešimo procesų modeliavimą. Nagrinėjama pernešimo procesams įtakos turinčių veiksnių sąveika, jų įtaka masės ir šilumos mainams natūraliame baseine‐aušintuve: vėjo stiprumas ir kryptis, pagal temperatūrą kintantis vandens tankis, šilumos mainai su atmosfera, trinties ir šilumos mainų vandens ir oro skiriamajame paviršiuje koeficientai. Rastos ir pateikiamos vertikaliųjų ir horizontaliųjų turbulentinių mainų koeficientų priklausomybės. Remiantis srovių ir vidinių temperatūrų profilių matavimų duomenimis nustatyta, kad vidutinio stiprumo nepastovus vėjas sukelia vandens paviršiuje maišymąsi, kuri galima įvertinti 1 m²/s dydžio turbulentiniu klampiu (skaičiavimuose taikytas turbulentinis klampis ‐0,9–1,3 m²/s). Vėjo impulso įtaka vandens paviršiui, pagal eksperimentinius duomenis, turi būti 1–3 % vidutinio vėjo greičio. Matematinis modelis skirtas pernašos procesams modeliuoti esant 1–5 m/s vidutinio vėjo greičiams. Palyginus eksperimentinių ir teorinių tyrinėjimų rezultatus akivaizdus jų kokybinis sutapimas. Kiekybinis rezultatų sutapimas būtų tikslesnis turint daugiau įvairių veiksnių ribinių laike kintamų sąlygų bei sprendžiant nenuostoviąsias pernašos lygtis.

Reikšminiai žodžiai: hidrodinamika, skaičiuojamoji fluidų dinamika, skaitinis modeliavimas, trimačiai procesai, dvifaziai srautai, baseinas‐aušintuvas, masės ir šilumos mainai.

First Published Online: 14 Oct 2010

Keyword : hydrodynamics, Computational Fluid Dynamics (CFD), numerical simulation, three‐dimensional processes, two‐phase flows, lake as a cooler, mass and heat exchange