وثيقة

The dynamics of compostitional plumes in a bounded reglon

الناشر
Sultan Qaboos University
ميلادي
2014
اللغة
الأنجليزية
الموضوع
الملخص الإنجليزي
The dynamics of a column of buoyant fluid rising in a less buoyant fluid bounded by two fixed vertical walls a finite distance apart is investigated, as an example of a compositional plume in a bounded domain. This is an extension to a previously studied plume in the absence of the sidewalls. The whole system is rotating uniformly about the vertical. The problem is governed by six dimensionless parameters: the Grashof number, R , which is the ratio of the buoyancy force due to the difference in concentration of light material of the plume and that of the surrounding fluid to the viscous force, the rotation parameter, t, which is a measure of the Coriolis force relative to the viscous force, the Prandtl number, o, which is the ratio of viscosity, v , to thermal diffusivity, K, the thickness of the plume, 2 X,, the distance, d , between the two vertical walls and the distance, , between the plume and the nearest sidewall made dimensionless using the salt-finger length scale as a unit of length. The main objective of this study is to investigate the influence of the boundary on the solution obtained when the surrounding fluid is unbounded. The mean (basic) state solution is independent of R, T and o. The symmetry of the solution present in the absence of the boundaries is here lost unless the plume lies half-way between the two sidewalls. The fluxes of material, heat and buoyancy are here strongly modified by the new parameters d and ag. The material and buoyancy fluxes possess local maxima in the (xo, az - xo) plane for moderate to small thicknesses of the plume when the plume lies close to the wall. This has the consequence of changing the stability properties obtained in the absence of the boundaries. In the absence of the boundaries, the plume is always unstable when R is small and the growth rate is O(R). The instability takes the form of one of two uncoupled categories of solutions: one of which is even in x, referred to as the varicose (V) mode, and the other odd in x and is referred to as the sinuous (S) mode. In the absence of rotation, the introduction of the boundaries introduces dramatic changes to the stability of the plume. A region of instability with a growth rate of 0(1) appears when the plume is thin and lies close to the : boundary. Moreover, a region of stability appears.when the plume is close to the boundary but has a large thickness. For other regions of the plane (xo, az – X), the plume has a growth rate of the same order of magnitude as in the absence of the boundaries but its magnitude is 'reduced as the distance, d, between the sidewalls is decreased. Instability again takes the form of one of two categories of solutions which related to the S and V modes but here modified by the presence of the boundaries and the position of the plume relative to the nearest boundary. In addition, the presence of the boundary suppresses the three-dimensional instabilities present in the unbounded domain and allows only two-dimensional instabilities for moderate to small distances between the bounding walls. When rotation is present, the influence of the boundaries on the Cartesian plume is less dramatic. Here the growth rate of O(1) found in the absence of rotation, persists but the magnitude of the growth rate increases as the plume approaches a sidewall. Another influence of the presence of the boundaries in the presence of rotation is that the modified varicose (MV) mode is suppressed and only the modified sinuous (MS) mode is unstable. Keywords: compositional plumes, stability, growth rate, bounded domain, rotation.
الملخص العربي
يهدف هذا المشروع إلى دراسة ديناميكية عمود الطفو السائل الذي يتحرك باتجاه راسي خلال سائل أخر قليل الطفو ويحيط به من الجانبين، والنظام المكون من السائلين معا محدود بجدارین راسيين ثابتين من الجانبين . العمود والسائل الخارجي يدوران بانتظام حول محور راسي يمثل محور عمود الطفو. هذه الدراسة تمثل امتدادا للدراسة السابقة (الطيب ولوبر 1994م) التي أهملت وجود الجدارين الراسيين واعتبرت النظام ممتدا إلى مالانهاية من الجانبين وايضا اعتبرت الدوران غیر فعال . وجدنا أن هذا النظام الديناميكي يعتمد على العوامل اللابعدية الستة الآتية : عدد جراشوف R (يمثل النسبة بين قوة الطفو الناتجة عن الفرق بين تركيز المادة الخفيفة في عمود السائل والسائل المحيط الى القوة الناتجة عن لزوجة السبائل) ؛ معامل الدوران ( يمثل قياس النسبة بين قوة كوريوليس وقوة لزوجة السائل) 4 عدد برانتل و (يمثل النسبة بين الزوجة السائل v الى معامل الانتشار الحراري ) ؛ عرض عمود الطفو السائل و2x ؛ المسافة بين الجدارين الراسيين ؛ المسافة بين عمود الطفو السائل والجدار الأقرب ,d. الهدف الرئيسي من البحث هو دراسة وتقصتي تأثير الجدارين الراسيين الثابتين على ديناميكية عمود الطفو ومقارنتها مع الدراسة السابقة التي أهملت وجود جدارين يحذان النظام . وجدنا في هذه الدراسة أن حلول الحالة العامة لا تعتمد على عدد جراشوف ومعامل الدوران وعدد برانتل . بخلاف الدراسة السابقة، وجدنا هنا أن الحلول غير متماثلة حول محور عمود الطفو السائل إلا في حالة أن عمود الطفو السائل متمركز في منتصف المسافة بين الجدارين الراسيين. قمنا في البحث بحساب كمية الدفق في المادة والحرارة والطفو ووجدنا أن هذه الكميات تأثرت قيمتها بالمسافة بين الجدارين d والمسافة بين عمود الطفو والجدار الأقرب ,a. الحسابات العددية التي قمنا بها على كميات الدفق في المستوى الإحداثي (و xo, a - x ) أظهرت لنا أن الدفق في كل من المادة والطفو اعطى قيمة عظمى عندما كان عرض عمود الطفو صغير او متوسط القيمة والعمود يوجد بالقرب من أحد الجدارين الراسيين. هذه النتيجة أشارت بوضوح الى تغيير كبير في استقرار عمود الطفو السائل في حالة إهمال الدوران. قمنا كذلك في هذا البحث بدراسة الاستقرار العمود الطفو السائل ودراسة تأثير وجود الجدارين الراسيين في النظام كاملا في حالة وجود الدوران مرة وعدم وجوده مرة أخرى ، ومقارنة ذلك مع الدراسة السابقة ( الطيب ولوبر 1994 م ; الطيب وحمزة 1998 م). أظهرت لنا الحسابات التحليلية والصور التوضيحية أن استقرار عمود الطفو السائل تأثر بشدة بوجود الجدارين الراسيين في حالة إهمال الدوران. توصلنا إلى وجود منطقة تمثل حالة عدم استقرار عمود الطفو السائل مع معدل نمو ذو رتبة (1) o عندما كان عرض عمود الطفو صغيرا وقريبا جدا من الجدار الراسي . اما عندما يكون عرض عمود الطفو صغيرا والعمود قريب جدا من الجدار ظهرت لنا منطقة استقرار. هذه النتائج أثبتت لنا التأثير الكبير الذي اوجده الجداران الراسيان الثابتان على استقرار عمود الطفو والذي عرضه صغير وقريب من الجدار الراسي مقارنة بالدراسة السابقة . أما إذا كان عمود الطفو متوسط البعد وبعيدا عن الجدار الراسي ، فإن عمود الطفو يكون غير مستقر في جميع الحالات وهذا يطابق نتائج الدراسة السابقة أي بمعنى ان وجود الجدارين الراسيين غير مؤثر . إضافة إلى ذلك وجدنا أن عدم استقرار عمود الطفوله معدل نمو ذو رتبة (R) كما هو الحال في الدراسة السابقة، ولكن الاختلاف في مقدار النمو نفسه حيث يتناقص المقدار هنا تدريجيا عندما قمنا بتقليل المسافة بين الجدارين الراسيين الثابتين d. الدراسة السابقة توصلت إلى أن عدم الاستقرار ياخذ احد النمطين التاليين إما نمط فردي أو نمط زوجي وذلك بسبب وجود عمود الطفو في وسط النظام كاملا. في هذه الدراسة ظهر لنا النمطان السابقان بصورة محدثة بسبب وجود اختلاف في المسافات بين عمود الطفو والجدارين الراسيين . ايضا وجدنا في هذه الدراسة الحالية أن عدم الاستقرار يكون ثنائي الأبعاد في حالة أن البعد بين الجدارين الراسيين صغير إلى متوسط ، بعكس الدراسة السابقة التي كان عدم الاستقرار بها ثلاثي الأبعاد. عندما قمنا بإضافة الدوران إلى النظام ، وجدنا أن تأثير الجدارين الراسيين قليل. الرسومات التوضيحية أثبتت أن عمود الطفو غير مستقر في جميع الحالات بوجود الدوران ، ومعدل النمو هنا نو رتبة (1)o وهذا مطابق للدراسة السابقة عندما كان الجداران الراسيان مهملين (دراسة الطيب وحمزة 1998م) . لكن في الدارسة الحالية وجدنا أن كمية معدل النمو تزداد كلما اقترب عمود الطفو السائل من الجدار الراسي . هذه النتيجة تشير إلى أن إضافة الدوران عمل على زيادة عدم استقرار عمود الطفو السائل.
الكلمات الدليلية : اعمدة الطفو السائلة ؛ الاستقرار ؛ معدل النمو ؛ مجال محدود؛ دوران.
قالب العنصر
الرسائل والأطروحات الجامعية