Published June 7, 2022 | Version v1
Publication Open

CFD simulation of updrafts initiated by a vertically directed jet fed by the heat of water vapor condensation

Creators

  • 1. Joint Institute for High Temperatures
  • 2. National Institute of Meteorology
  • 3. Khalifa University of Science and Technology

Description

This paper presents the results of the development of a mathematical model and numerical simulation of the ascent in the atmosphere of a vertically directed jet fed by the heat of condensation of water vapor on a hygroscopic aerosol introduced into the jet at the start. The possibility of creating artificial convective clouds depending on jet parameters, condensation heat value and vertical profiles of wind speed, air temperature and humidity has been evaluated. Numerical experiments showed that the motion of a high-speed and high-temperature jet in the atmosphere has a complex turbulent nature. As the jet ascends, it expands, losing superheat and velocity. The temperature of the jet decreases faster than the velocity, so the jet rises slightly above the level at which its superheat disappears. The jet's ascent height increases as the humidity of the air and the vertical temperature gradient increase. Wind causes the jet to deform, bend, and decrease the height of ascent. Feed the jet with condensation heat results in a significant increase in jet lift height. This is particularly effective in the case of introducing into the jet two-layer NaCl/TiO2 nanoaerosol, which is capable of absorbing water vapor in an amount significantly greater than its mass. The simulation results are encouraging in the possibility of creating artificial updrafts that can lead to the formation of convective clouds and precipitation on days with favorable atmospheric conditions, when wind speed in the sub-cloud layer is < 6 m/s, air humidity is > 65%, and the temperature lapse rate is > 7.5 °C/km.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعرض هذه الورقة نتائج تطوير نموذج رياضي ومحاكاة عددية للصعود في الغلاف الجوي لنفاثة موجهة رأسيًا تغذيها حرارة تكثيف بخار الماء على رذاذ استرطابي تم إدخاله في النفاثة في البداية. تم تقييم إمكانية إنشاء سحب حرارية اصطناعية اعتمادًا على المعلمات النفاثة وقيمة حرارة التكثيف والملامح الرأسية لسرعة الرياح ودرجة حرارة الهواء والرطوبة. أظهرت التجارب العددية أن حركة طائرة نفاثة عالية السرعة وعالية الحرارة في الغلاف الجوي لها طبيعة مضطربة معقدة. مع صعود الطائرة، تتوسع، وتفقد الحرارة الزائدة والسرعة. تنخفض درجة حرارة النفاثة بشكل أسرع من السرعة، لذلك ترتفع النفاثة قليلاً فوق المستوى الذي تختفي فيه حرارتها الفائقة. يزداد ارتفاع الصعود النفاث مع زيادة رطوبة الهواء وتدرج درجة الحرارة الرأسي. تتسبب الرياح في تشوه النفاثة وثنيها وتقليل ارتفاع الصعود. تغذية النفاثة مع حرارة التكثيف يؤدي إلى زيادة كبيرة في ارتفاع الرفع النفاث. هذا فعال بشكل خاص في حالة إدخال النانو أيروسول النفاث ثنائي الطبقات NaCl/TiO2، وهو قادر على امتصاص بخار الماء بكمية أكبر بكثير من كتلته. نتائج المحاكاة مشجعة في إمكانية إنشاء طوافات صاعدة اصطناعية يمكن أن تؤدي إلى تكوين السحب الحملية وهطول الأمطار في أيام ذات ظروف جوية مواتية، عندما تكون سرعة الرياح في طبقة السحابة الفرعية < 6 م/ث، ورطوبة الهواء > 65 ٪، ومعدل انقضاء درجة الحرارة > 7.5 درجة مئوية/كم.

Translated Description (French)

Cet article présente les résultats du développement d'un modèle mathématique et d'une simulation numérique de l'ascension dans l'atmosphère d'un jet dirigé verticalement alimenté par la chaleur de condensation de vapeur d'eau sur un aérosol hygroscopique introduit dans le jet au départ. La possibilité de créer des nuages convectifs artificiels en fonction des paramètres du jet, de la valeur de la chaleur de condensation et des profils verticaux de la vitesse du vent, de la température de l'air et de l'humidité a été évaluée. Des expériences numériques ont montré que le mouvement d'un jet à haute vitesse et à haute température dans l'atmosphère a une nature turbulente complexe. Au fur et à mesure que le jet monte, il se dilate, perdant de la surchauffe et de la vitesse. La température du jet diminue plus vite que la vitesse, de sorte que le jet s'élève légèrement au-dessus du niveau auquel sa surchauffe disparaît. La hauteur de montée du jet augmente à mesure que l'humidité de l'air et le gradient de température vertical augmentent. Le vent provoque la déformation, la flexion et la diminution de la hauteur de montée du jet. L'alimentation du jet avec de la chaleur de condensation entraîne une augmentation significative de la hauteur de portance du jet. Ceci est particulièrement efficace dans le cas de l'introduction dans le jet de nanoaérosol bicouche NaCl/TiO2, qui est capable d'absorber la vapeur d'eau en une quantité significativement supérieure à sa masse. Les résultats de la simulation sont encourageants dans la possibilité de créer des courants ascendants artificiels qui peuvent conduire à la formation de nuages convectifs et de précipitations les jours où les conditions atmosphériques sont favorables, lorsque la vitesse du vent dans la couche de sous-nuage est < 6 m/s, que l'humidité de l'air est > 65 % et que le taux d'écart de température est > 7,5 °C/km.

Translated Description (Spanish)

Este trabajo presenta los resultados del desarrollo de un modelo matemático y simulación numérica del ascenso en la atmósfera de un chorro dirigido verticalmente alimentado por el calor de condensación del vapor de agua en un aerosol higroscópico introducido en el chorro al inicio. Se ha evaluado la posibilidad de crear nubes convectivas artificiales en función de parámetros del chorro, valor calorífico de condensación y perfiles verticales de velocidad del viento, temperatura del aire y humedad. Los experimentos numéricos mostraron que el movimiento de un chorro de alta velocidad y alta temperatura en la atmósfera tiene una naturaleza turbulenta compleja. A medida que el chorro asciende, se expande, perdiendo sobrecalentamiento y velocidad. La temperatura del chorro disminuye más rápido que la velocidad, por lo que el chorro se eleva ligeramente por encima del nivel en el que desaparece su sobrecalentamiento. La altura de ascenso del chorro aumenta a medida que aumenta la humedad del aire y el gradiente de temperatura vertical. El viento hace que el chorro se deforme, se doble y disminuya la altura de ascenso. Alimentar el chorro con calor de condensación da como resultado un aumento significativo en la altura de elevación del chorro. Esto es particularmente eficaz en el caso de introducir en el chorro nanoaerosol de NaCl/Tío2 de dos capas, que es capaz de absorber vapor de agua en una cantidad significativamente mayor que su masa. Los resultados de la simulación son alentadores en la posibilidad de crear corrientes ascendentes artificiales que pueden conducir a la formación de nubes convectivas y precipitaciones en días con condiciones atmosféricas favorables, cuando la velocidad del viento en la capa de subnube es < 6 m/s, la humedad del aire es > 65% y la tasa de lapsos de temperatura es > 7,5 °C/km.

Files

s41598-022-13185-2.pdf.pdf

Files (10.2 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:ac993130530b80ad4bf9c32c8ec4d453
10.2 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
محاكاة العقود مقابل الفروقات للتيارات الصاعدة التي تبدأ بواسطة نفاثة موجهة رأسيًا تغذيها حرارة تكثيف بخار الماء
Translated title (French)
Simulation CFD de courants ascendants initiés par un jet dirigé verticalement alimenté par la chaleur de condensation de la vapeur d'eau
Translated title (Spanish)
Simulación CFD de corrientes ascendentes iniciadas por un chorro dirigido verticalmente alimentado por el calor de la condensación de vapor de agua

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4281701326
DOI
10.1038/s41598-022-13185-2

Is supplement to
https://openalex.org/W3025464592 (Other)
https://openalex.org/W2357457856 (Other)
https://openalex.org/W849902440 (Other)
https://openalex.org/W2354578673 (Other)
https://openalex.org/W2529788040 (Other)
https://openalex.org/W2910942079 (Other)
https://openalex.org/W2361343437 (Other)
https://openalex.org/W2359991085 (Other)
https://openalex.org/W2894382742 (Other)
https://openalex.org/W4213070325 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Tunisia

References

  • https://openalex.org/W1979007507
  • https://openalex.org/W2013882862
  • https://openalex.org/W2089417429
  • https://openalex.org/W2766427230
  • https://openalex.org/W2792076794
  • https://openalex.org/W2913010977
  • https://openalex.org/W2922452891
  • https://openalex.org/W2927120332
  • https://openalex.org/W2944169326
  • https://openalex.org/W3001582237
  • https://openalex.org/W3016357349
  • https://openalex.org/W3119370400
  • https://openalex.org/W3156447188
  • https://openalex.org/W3158621859
  • https://openalex.org/W3190614793