Short term water heat storage: studies of velocity and temperature fields and their importance for sizing of the storage

DIVISION O F E N E R G Y E N G I N E E R I N G I S S N 0 3 4 8 - 8 3 7 3 ISRN: HLU - ' T H - T - - 1993/131 - D - - S E

Short Term Water Heat Storage

Studies of Velocity and Temperature Fields and their Importance for Sizing of the Storage

b y

J A N D A H L

[ T J I TEKNISKA

L S I HÖGSKOLAN I LULEÅ

LULEÅ UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

JL!H

S h o r t T e r m W a t e r H e a t S t o r a g e

S t u d i e s o f v e l o c i t y a n d t e m p e r a t u r e f i e l d s a n d t h e i r i m p o r t a n c e f o r s i z i n g o f the s t o r a g e

by Jan D a h l

A k a d e m i s k a v h a n d l i n g

s o m m e d v e d e r b ö r l i g t t i l l s t å n d a v T e k n i s k a F a k u l t e t s n ä m n d e n v i d H ö g s k o l a n i L u l e å f ö r a v l ä g g a n d e a v t e k n i s k d o k t o r s e x a m e n k o m m e r a t t o f f e n t l i g t f ö r s v a r a s i H ö g s k o l a n s sal F 3 4 1 , t i s d a g e n d e n 5 o k t o b e r 1993, k l 09.00.

D o c t o r a l T h e s i s 1993:131D

I S S N 0348-8373

S H O R T T E R M W A T E R H E A T S T O R A G E

S t u d i e s o f v e l o c i t y a n d t e m p e r a t u r e f i e l d s a n d t h e i r i m p o r t a n c e f o r s i z i n g o f t h e s t o r a g e

J A N D A H L

D i v i s i o n o f E n e r g y E n g i n e e r i n g

L U L E Å U N I V E R S I T Y O F T E C H N O L O G Y

s

P R E F A C E

T h e w o r k i n t h i s d i s s e r t a t i o n has b e e n c a r r i e d o u t at t h e d i v i s i o n o f E n e r g y E n g i n e e r i n g at L u l e å U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , S w e d e n . T h e f i n a n c i a l s u p - p o r t w a s g i v e n b y t h e S w e d i s h N a t i o n a l B o a r d f o r I n d u s t r i a l a n d T e c h n i c a l D e v e l o p m e n t a n d b y L u l e å U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y . F i n a n c i a l s u p p o r t w a s also r e c e i v e d f r o m P i t e E n e r g i A B , E n e r g i t e k n i s k t c e n t r u m E T C , P i t e å a n d t h e I n t e r n a t i o n a l T r a i n i n g a n d D e v e l o p m e n t C e n t r e , C E N T E K at L u l e å U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y

I w o u l d l i k e t o express m y g r a t i t u d e t o t h e f o l l o w i n g p e o p l e i n v o l v e d i n t h e p r o g r e s s o f t h i s thesis.

S i n c e r e t h a n k s are d u e t o p r o f e s s o r A l l a n H a a g w h o i n i t i a t e d a n d also s u p e r v i s e d t h e f i r s t p a r t o f t h e w o r k a n d t o p r o f e s s o r B j ö r n K j e l l s t r ö m w h o s u p e r v i s e d t h e f i n a l p a r t .

I w o u l d l i k e t o express m y g r a t i t u d e t o m y v e r y g o o d f r i e n d a n d c o l l e a g u e T e k n . L i e . R o g e r H e r m a n s s o n . W e h a v e b e e n w o r k i n g t o g e t h e r since m a n y y e a r s b o t h i n research a n d e d u c a t i o n a n d R o g e r has e n d u r e d m y f e l l o w s h i p a n d b e e n a g r e a t s o u r c e o f i n s p i r a t i o n a l l t h e t i m e . R o g e r has b e e n m a i n l y r e s p o n s i b l e f o r t h e c o m p u t e r a n a l y s i s a n d is c o - a u t h o r i n m a n y o f t h e p a p e r s p r e s e n t e d .

T h a n k s are d u e t o p r o f e s s o r H å k a n G u s t a v s s o n a n d t h e D i v i s i o n o f F l u i d M e c h a n i c s f o r p u t t i n g t h e i r l a b o r a t o r y t o o u r d i s p o s a l f o r t h e e x p e r i m e n t s w i t h t h e P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y ( P I V ) t e c h n i q u e .

T h a n k s a r e also d u e to D r . L a r s B e n c k e r t w h o k i n d l y o f f e r e d e q u i p m e n t a n d m u c h g o o d a d v i s e f o r t h e use o f P I V - t e c h n i q u e a n d t o T e k n . L i e . Per G r e n f o r h i s h e l p w i t h t h e laser e q u i p m e n t i n t h e e x p e r i m e n t s u s i n g Laser D o p p l e r A n e m o m e t r y a n d i n t h e P I V m e a s u r e m e n t s . B o t h w o r k at t h e D i v i s i o n o f E x p e r i m e n t a l M e c h a n i c s a n d are c o - a u t h o r s i n o n e o f t h e p a p e r s w h e r e t h e P I V - t e c h n i q u e w a s u s e d .

I w o u l d also l i k e t o t h a n k M r S v e n - E r i k T i b e r g , c o - a u t h o r i n o n e o f t h e

p a p e r s , f o r h i s w o r k w i t h t h e m e a s u r e m e n t s y s t e m a n d f o r h i s e x c e l l e n t

p r o g r a m m i n g c a p a b i l i t i e s . T h a n k s also to M r H a n s H a n s s o n f o r h i s w o r k

w i t h t h e b u i l d i n g a n d m a i n t e n a n c e o f t h e e x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t .

I a m v e r y g r a t e f u l t o M i s s R o s e - M a r i e L ö v e n s t i g f o r h e r e x c e l l e n t a n d self s a c r i f i c i n g w o r k w i t h t h e f i n i s h i n g o f t h i s m a n u s c r i p t .

M a n y t h a n k s are also d u e t o M r Pascal V e b e r a n d M r P i e r r e - Y v e s R a p y f o r p a r t i c i p a t i o n i n m a n y o f t h e P l V - e x p e r i m e n t s a n d f o r c o m p u t e r w o r k w i t h t h e e v a l u a t i o n o f these e x p e r i m e n t s .

F i n a l l y , I w o u l d l i k e t o t h a n k m y w i f e K a r i n a n d m y c h i l d r e n Joel a n d E l i s a b e t f o r t h e i r s u p p o r t a n d p a t i e n c e d u r i n g t h e f i n a l p e r i o d o f t h i s w o r k .

L u l e å i n S e p t e m b e r 1993

Jan D a h l

s

A B S T R A C T

S h o r t t e r m w a t e r heat storage's h a v e been i n t r o d u c e d i n m a n y d i s t r i c t hea- t i n g s y s t e m s . T h e m a i n r e a s o n f o r t h i s is t h e p o s s i b i l i t i e s o p e n e d b y t h e s t o r a g e f o r o p t i m i z a t i o n o f t h e g e n e r a t i o n o f h e a t a n d e l e c t r i c i t y i n c o m b i - n e d h e a t a n d p o w e r p l a n t s . T h e basic task f o r t h e s t o r a g e is t h e n t o b r i d g e t h e t i m e v i s e g a p b e t w e e n t h e h e a t d e m a n d a n d s u p p l y o f h e a t f r o m a co- g e n e r a t i o n p l a n t . W a t e r h e a t storage's c a n also be u s e f u l i n d i s t r i c t h e a t i n g s y s t e m s s u p p l i e d w i t h i n d u s t r i a l w a s t e heat.

T h e w a t e r v o l u m e i n the s t o r a g e m u s t be s t r a t i f i e d t o a v o i d d e g r a d a t i o n o f t h e q u a l i t y o f t h e h e a t t h a t has b e e n c h a r g e d . E x p e r i m e n t a l s t u d i e s o f p h e - n o m e n a t h a t i n f l u e n c e t h e s t r a t i f i c a t i o n a n d cause a d e g r a d a t i o n o f t h e q u a l i t y has b e e n m a d e i n m o d e l storage's o f d i f f e r e n t sizes T h e s t u d i e s i n c l u d e e x t e n s i v e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s a n d v e l o c i t y m e a s u r e m e n t s w i t h d i f f e r e n t t e c h n i q u e s .

L a s e r D o p p l e r A n e m o m e t r y w a s u s e d t o m e a s u r e t h e v e r t i c a l v e l o c i t i e s i n t h e b o u n d a r y l a y e r at t h e o u t e r w a l l s . T h e g r a d i e n t z o n e w a s f o u n d t o h a v e a s t r o n g i m p a c t o n t h e v e l o c i t y f i e l d . T h e m a x i m u m v e l o c i t y i n t h e b o u n - d a r y l a y e r w a s i n c r e a s i n g d u e t o a v a i l a b l e h e i g h t u p t o a c e r t a i n l e v e l w h e r e i t r e m a i n e d c o n s t a n t .

P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y T e c h n i q u e w e r e u s e d f o r m e a s u r i n g t h e t w o d i m e n s i o n a l v e l o c i t y f i e l d i n seeded w a t e r i n a p l a n e i l l u m i n a t e d b y a laser.

T h e s e m e a s u r e m e n t s s h o w e d t h a t l a r g e scaled c o n v e c t i o n cells a p p e a r e d b o t h a b o v e a n d b e l o w t h e g r a d i e n t z o n e . T h e e x c h a n g e o f w a t e r b e t w e e n the b o u n d a r y l a y e r a n d t h e c o r e w a s also s h o w n i n these e x p e r i m e n t s .

A v i d e o b a s e d P I V - t e c h n i q u e w a s d e v e l o p e d w h e r e a c o m p l e t e c h a r g i n g ex- p e r i m e n t c o u l d be r e c o r d e d o n a v i d e o tape. T h e p i c t u r e s w e r e a n a l y s e d i n a n i m a g e p r o c e s s i n g p r o g r a m w h i c h m a d e i t p o s s i b l e t o e v a l u a t e t h e w h o l e v e l o c i t y f i e l d .

O n basis o f s i m u l a t i o n s f o r a case s t u d y r e p r e s e n t i n g t h e d i s t r i c t h e a t i n g sys-

t e m i n P i t e å , i t w a s f o u n d t h a t h e a t q u a l i t y d e g r a d a t i o n is n o t essential f o r

t h e o p t i m i z a t i o n o f t h e s t o r a g e v o l u m e . T h e d i f f e r e n t p h e n o m e n a t h a t i n -

f l u e n c e t h e q u a l i t y d e g r a d a t i o n are i m p o r t a n t h o w e v e r f o r o p t i m i z i n g t h e

s h a p e o f a s t o r a g e o f a g i v e n size.

T h e r e s u l t s f r o m t h e m e a s u r e m e n t s i n t h e m o d e l h e a t storage's are u s e f u l m a i n l y f o r v a l i d a t i o n o f c o m p u t e r m o d e l s f o r n u m e r i c a l p r e d i c t i o n o f v e l - o c i t y a n d t e m p e r a t u r e f i e l d s a n d as a basis f o r p l a n n i n g o f e x p e r i m e n t s i n l a r g e r storage's o f c o m m e r c i a l size.

I t w a s t h e r e f o r e d e c i d e d t o i n c l u d e i n t h e s t u d y a n e v a l u a t i o n o f t h e i m p o r -

tance o f h e a t q u a h t y d e g r a d a t i o n f o r s i z i n g o f s h o r t t e r m w a t e r h e a t

s t o r a g e ' s .

s

C O N T E N T S Page

D I S S E R T A T I O N

I N T R O D U C T I O N S I E X P E R I M E N T A L F A C I L I T I E S S3

T h e l a r g e m o d e l h e a t s t o r a g e S3 T h e r e c t a n g u l a r m o d e l h e a t s t o r a g e S3 T h e c y l i n d r i c a l m o d e l h e a t s t o r a g e S4 V E L O C I T Y M E A S U R E M E N T T E C H N I Q U E S S5

L a s e r D o p p l e r A n e m o m e t r y S5 W h i t e L i g h t S p e c k l e S6 P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y S6 V i d e o b a s e d P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y S7

R E S U L T S O F T H E E X P E R I M E N T A L W O R K S9

T e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s S9 M L X I N G N E A R T H E EMLET S13 B O U N D A R Y L A Y E R B E H A V I O U R S I 6

C A S E S T U D Y S23 C O N C L U S I O N S S25 R E F E R E N C E S S28

Paper A : F o r m a t i o n a n d d e c a y o f t h e g r a d i e n t z o n e i n a

t h e r m a l l y s t r a t i f i e d h o t w a t e r storage. A 1 - A 1 0 1 P a p e r B. T e m p e r a t u r e s a n d v e l o c i t i e s i n a t h e r m a l l y s t r a t i f i e d

w a t e r heat storage. B1-B13 Paper C: T e m p e r a t u r e a n d v e l o c i t i e s n e a r the g r a d i e n t z o n e

i n a s h o r t t e r m w a t e r h e a t storage. C1-C6 Paper D : P h e n o m e n a t h a t e f f e c t t h e t h e r m a l s t r a t i f i c a t i o n i n

w a t e r h e a t storage's. D l - D l l

Paper E: U s e o f V i d e o b a s e d P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y tech- n i q u e f o r s t u d i e s o f v e l o c i t y f i e l d s i n a w a t e r heat

storage. E1-E36 Paper F: S i z i n g o f a w a t e r heat storage i n a d i s t r i c t h e a t i n g

s y s t e m . F1-F56

D I S S E R T A T I O N

T h i s d i s s e r t a t i o n consists o f t h e f o l l o w i n g s i x p a p e r s A . D a h l J, H e r m a n s s o n R

F o r m a t i o n a n d d e c a y o f t h e g r a d i e n t z o n e i n a t h e r m a l l y s t r a t i f i e d h o t w a t e r s t o r a g e .

H e r m a n s s o n R o g e r 1989: S h o r t t e r m w a t e r h e a t s t o r a g e - A n

e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f t h e r m a l s t r a t i f i c a t i o n . L i e . Thesis L u l e å U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y

B . D a h l J, H e r m a n s s o n R

T e m p e r a t u r e s a n d v e l o c i t i e s i n a t h e r m a l l y s t r a t i f i e d w a t e r h e a t storage.

P r o c 4 t h I n t . c o n f e r e n c e o n e n e r g y storage, J I G A S T O C K 88, V e r s a i l l e s , France, O c t o b e r 18-21,1988.

C. D a h l J, H e r m a n s s o n R, G r e n P a n d B e n c k e r t L

T e m p e r a t u r e s a n d v e l o c i t i e s n e a r t h e g r a d i e n t z o n e i n a s h o r t t e r m w a t e r h e a t storage.

P r o c 5 t h I n t . c o n f e r e n c e o n t h e r m a l e n e r g y storage, S c h e v e n i n g e n , H o l l a n d , M a y 1 3 - 1 6 , 1 9 9 1 .

D . D a h l J, H e r m a n s s o n R

P h e n o m e n a t h a t e f f e c t t h e t h e r m a l s t r a t i f i c a t i o n i n w a t e r h e a t storage's.

P r o c I n t . W o r k s h o p I E A o n t h e r m a l e n e r g y s t o r a g e a n d l o w e n e r g y b u i l d i n g s , T u t z i n g , G e r m a n y June 18-19 1991.

E. D a h l J, H e r m a n s s o n R

U s e o f v i d e o b a s e d P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y t e c h n i q u e f o r s t u d i e s o f v e l o c i t y f i e l d s i n a w a t e r h e a t storage,

S u b m i t t e d f o r p u b l i c a t i o n .

F. D a h l J.

S i z i n g o f a w a t e r heat storage i n a d i s t r i c t h e a t i n g s y s t e m .

T o be s u b m i t t e d f o r p u b l i c a t i o n .

S I

I N T R O D U C T I O N

S h o r t t e r m h e a t storage's h a v e b e e n i n t r o d u c e d i n m a n y d i s t r i c t h e a t i n g sys- t e m s i n S w e d e n . T h e s e storage's o p e n p o s s i b i l i t i e s f o r o p t i m i z a t i o n o f t h e g e n e r a t i o n o f h e a t a n d e l e c t r i c i t y i n c o m b i n e d h e a t a n d p o w e r p l a n t s . Storage's c a n also b r i n g b e n e f i t s w h e n i n d u s t r i a l w a s t e h e a t is u s e d t o s u p - p l y a d i s t r i c t h e a t i n g s y s t e m .

T h e basic task f o r t h e storage is to b r i d g e t h e t i m e - w i s e g a p b e t w e e n t h e h e a t d e m a n d a n d t h e s u p p l y o f c h e a p heat. W h e n f o r i n s t a n c e t h e r e is a l o w p r i c e f o r t h e e l e c t r i c i t y i n t h e n i g h t s a n d there is s t i l l a h e a t d e m a n d i n t h e c o m m u n i t y f o r t h e h e a t i n g o f h o u s e s , t h e w a t e r h e a t s t o r a g e w i l l s u p p l y t h e n e t w o r k w i t h h o t w a t e r w h i l e t h e e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n is r e d u c e d . I n t h e m o r n i n g w h e n t h e p r i c e is h i g h e r t h e e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n starts a g a i n a n d t h e h e a t f r o m t h e c o n d e n s e r w i l l be s t o r e d i n t o t h e s t o r a g e w h e n t h e r e is a t e m p o r a r y o v e r - c a p a c i t y i n t h e h e a t g e n e r a t i o n . N o r m a l l y t h e r e is a p e a k i n t h e h e a t d e m a n d i n t h e m o r n i n g w h e n p e o p l e w a k e u p a n d i n d u s t r i e s start t h e i r p r o d u c t i o n . T h e m i s m a t c h b e t w e e n t h e e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n a n d t h e h e a t d e m a n d w i l l increase d u r i n g t h e d a y . I t is t h e r e f o r e d e s i r a b l e t h a t t h e h e a t s t o r a g e is n e a r l y 100% d i s c h a r g e d a f t e r t h e n i g h t so t h a t c h a r g i n g cap- a c i t y is a v a i l a b l e d u r i n g t h e d a y w h e n t h e e l e c t r i c i t y p r i c e is h i g h a n d t h e co- g e n e r a t i o n p l a n t is o p e r a t e d at f u l l c a p a c i t y .

F r o m t h i s e x a m p l e o n e c a n u n d e r s t a n d t h a t s h o r t t e r m h e a t storage's are t h o s e t h a t o p e r a t e w i t h o n e o r t w o cycles p e r d a y . D e m a n d p e a k s w i t h a 24 h c y c l e a n d 12 h c y c l e are f r e q u e n t i n a d i s t r i c t h e a t i n g s y s t e m , b u t l o n g e r p e r i o d cycles, t w o - t h r e e d a y s u p t o a w e e k w i l l s o m e t i m e s be a p p a r e n t .

A s h o r t t e r m storage is o f t e n d e s i g n e d w i t h t h e p u r p o s e t o be c h a r g e d a n d d i s c h a r g e d a n u m b e r o f t i m e s each d a y , b u t t h e p o s s i b l e n e e d f o r a c t i v i t y w i t h l o n g e r cycles m u s t also be t a k e n i n t o a c c o u n t . A l a r g e r s t o r a g e v o l u m e w i l l t h e n be r e q u i r e d . T h e choice o f storage v o l u m e m u s t be m a d e o n basis o f d e t a i l e d i n f o r m a t i o n o f t h e d e m a n d f l u c t u a t i o n s i n t h e d i s t r i c t h e a t i n g s y s t e m f o r t h e w h o l e year, t h e h e a t s u p p l y r a t e a v a i l a b l e f r o m a l l p r o d u c t i o n u n i t s o v e r t h e y e a r a n d t h e t h e r m a l b e h a v i o u r o f t h e s t o r a g e .

W h e n t h i s w o r k w a s s t a r t e d i n 1985, i t w a s f e l t t h a t t h e r e w e r e l a r g e g a p s i n

t h e a v a i l a b l e i n f o r m a t i o n i n p a r t i c u l a r r e g a r d i n g t h e t h e r m a l p e r f o r m a n c e

o f storage's.

T h e m a i n p a r t o f t h e w o r k has t h e r e f o r e b e e n f o c u s e d o n i n v e s t i g a t i o n s o f p h e n o m e n a t h a t i n f l u e n c e t h e t h e r m a l p e r f o r m a n c e . T h e k e y p r o b l e m is t o d e t e r m i n e t h e r a t e a t w h i c h t h e q u a l i f y o f t h e h e a t i n t h e storage is d e g r a - d e d .

T h e w a t e r v o l u m e i n a h e a t s t o r a g e m u s t be s t r a t i f i e d t o a v o i d d e g r a d a t i o n o f t h e q u a l i t y o f t h e heat. T h r e e m a i n p h e n o m e n a are d o m i n a t i n g t h e esta- b l i s h i n g o f t h e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t , n a m e l y t h e m i x i n g i n t h e i n i t i a l p a r t o f t h e c h a r g i n g cycle, t h e d i f f u s i o n i n the g r a d i e n t z o n e a n d t h e c o n v e c t i o n n e a r t h e w a l l . T h e r e are s e v e r a l p o s s i b l e a p p r o a c h e s f o r e x p e r i m e n t a l s t u d i e s o f these p h e n o m e n a .

S t u d i e s o f t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n s i n w a t e r h e a t storage's are v e r y c o m m o n a n d o f t e n r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e . T h e r e are m a n y reasons f o r t h a t . T e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s are i n e x p e n s i v e a n d q u i t e easy t o p e r f o r m b o t h i n research l a b o r a t o r i e s a n d i n p r a c t i c e . T h e y w i l l n o d o u b t g i v e u s e f u l q u a n t i t a t i v e i n f o r m a t i o n a b o u t t h e s t o r a g e w h e r e t h e m e a s u r e m e n t s are p e r f o r m e d .

T h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n s are h o w e v e r t h e i n t e g r a t e d r e s u l t o f c o m p l i - c a t e d processes i n s i d e t h e s t o r a g e w h e r e m a n y d i f f e r e n t p h e n o m e n a are i n t e r a c t i n g a n d c o u n t e r a c t i n g each o t h e r . T h e r e f o r e i f t h e m a i n g o a l o f a s t u d y is t o b o t h e v a l u a t e a n d e x p l a i n t h e t h e r m a l b e h a v i o u r o f a storage, t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s w i l l n o t be s u f f i c i e n t . I n f o r m a t i o n a b o u t t h e f l o w f i e l d i n the storage is t h e n also r e q u i r e d .

T h i s w a s r e a l i z e d at a n e a r l y stage o f t h i s w o r k , b u t i t w a s also r e a l i z e d t h a t a v a i l a b l e m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s w e r e n o t necessarily s u i t a b l e f o r t h i s a p - p l i c a t i o n . Several t e c h n i q u e s h a d t o be t r i e d b e f o r e a t e c h n i q u e w a s f o u n d t h a t e n a b l e d r e a s o n a b l y accurate m e a s u r e m e n t s o f t h e t w o - d i m e n s i o n a l t r a n s i e n t f l o w f i e l d w i t h v e r y l o w v e l o c i t i e s .

T h e s i z i n g o f a s h o r t t e r m heat s t o r a g e is h o w e v e r n o t o n l y d e p e n d e n t o f

t h e t h e r m a l p e r f o r m a n c e o f t h e storage. T h e v a r i a t i o n s o f heat d e m a n d a n d

heat s u p p l y are also essential f o r t h e o p t i m i z a t i o n . I t w a s t h e r e f o r e d e c i d e d

t o i n c l u d e i n t h e s t u d y a n e v a l u a t i o n o f t h e i m p o r t a n c e o f h e a t q u a l i t y d e -

g r a d a t i o n f o r s i z i n g o f s h o r t t e r m w a t e r storage's.

S3

E X P E R I M E N T A L F A C I L I T I E S

T h e l a r g e m o d e l h e a t s t o r a g e

A l a r g e m o d e l h e a t s t o r a g e w a s u s e d f o r t h e f i r s t e x p e r i m e n t a l w o r k w h i c h i n c l u d e d e x t e n s i v e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s a n d v e l o c i t y m e a s u r e m e n t s w i t h L a s e r D o p p l e r A n e m o m e t r y . T h e e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d i n a l a b o r a t o r y i n s t a l l a t i o n w i t h a c y l i n d r i c a l s t o r a g e m a d e o f steel. T h e s t o r a g e h a d a size o f 1.2 m

w i t h a d i a m e t e r o f 800 m m a n d a h e i g h t o f 2400 m m .

I t w a s e q u i p p e d w i t h 49 t e m p e r a t u r e gauges at 24 d i f f e r e n t l e v e l s , f o r e v e r y 10 c m . A n u m b e r o f gauges w e r e d i s t r i b u t e d h o r i z o n t a l l y at f o u r l e v e l s i n t h e s t o r a g e w i t h d i f f e r e n t d i s t a n c e s f r o m t h e w a l l . A l l t e m p e r a t u r e g a u g e s w e r e i n d i v i d u a l l y a n d c a r e f u l l y c a l i b r a t e d . T h e e r r o r s i n t h e r e c o r d e d t e m - p e r a t u r e s , w e r e m i n i m i z e d w i t h i n t h e r a n g e o f 0 . 3 ° C b y c a l c u l a t i n g m e a n v a l u e s o u t o f 10-20 v a l u e s s a m p l e d .

T h e s t o r a g e w a s c h a r g e d w i t h p r e h e a t e d w a t e r w i t h a c c u r a t e l y c o n t r o l l e d t e m p e r a t u r e . T h e w a t e r e n t e r e d t h e s t o r a g e t h r o u g h a n a n n u l a r s l o t a n d w a s s p r e a d h o r i z o n t a l l y i n t h e s t o r a g e . T h e s l o t w a s a d j u s t a b l e t o m a k e i t p o s s i b l e t o m a k e tests w i t h d i f f e r e n t i n l e t v e l o c i t i e s .

E x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d w i t h i n l e t t e m p e r a t u r e s i n t h e r a n g e 2 0 ° C - 6 0 ° C a n d w i t h c h a r g i n g f l o w i n t h e r a n g e o f 0.15-1.4 m

/ h .

A d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e e x p e r i m e n t a l p r o c e d u r e a n d r e s u l t s f r o m t h e m e a s u r e m e n t s m a d e i n t h i s i n s t a l l a t i o n are p r e s e n t e d i n P a p e r A . C o n c l u - s i o n s r e g a r d i n g t h e t h e r m a l p e r f o r m a n c e o f t h e storage b a s e d o n these m e a s u r e m e n t s are s u m m a r i z e d b e l o w .

T h e r e c t a n g u l a r m o d e l h e a t s t o r a g e

T e m p e r a t u r e a n d v e l o c i t y m e a s u r e m e n t s w e r e l a t e r p e r f o r m e d i n a rec-

t a n g u l a r glass w a l l e d m o d e l h e a t s t o r a g e w i t h t h e l e n g t h 400 m m , t h e

h e i g h t 420 m m a n d t h e w i d t h 250 m m . T h e size o f t h e s t o r a g e w a s c h o s e n

so t h a t t h e w h o l e s t o r a g e c o u l d b e c o v e r e d b y t h e l i g h t sheet u s e d f o r o p t i c a l

m e a s u r e m e n t s o f v e l o c i t i e s .

W a t e r e n t e r e d t h e t o p o f t h e s t o r a g e a n d t h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l m a i n - t a i n e d the t e m p e r a t u r e o f t h e c h a r g i n g w a t e r w i t h i n 0 . 2 ° C .

T e m p e r a t u r e gauges w e r e m o u n t e d at 7 d i f f e r e n t l e v e l s i n t h e storage. A m o v a b l e g r i d w i t h 11 d i f f e r e n t gauges w i t h t h e d i s t a n c e o f 1 c m b e t w e e n each c o u l d be m o v e d t o d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n t h e s t o r a g e t o get m o r e de- t a i l e d i n f o r m a t i o n .

T h e P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y t e c h n i q u e w a s u s e d f o r s t u d i e s o f v e l o c i t y f i e l d s .

T h e v e r t i c a l t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a n d t h e f l o w f i e l d w a s m e a s u r e d d u r i n g c h a r g i n g , d i s c h a r g i n g a n d s t a n d s t i l l .

T h e e x p e r i m e n t a l set u p is d e s c r i b e d i n Paper C. C o n c l u s i o n s a b o u t t h e m e a s u r e m e n t s are p r e s e n t e d b e l o w .

T h e c y l i n d r i c a l m o d e l h e a t storage

E x p e r i m e n t s w i t h t h e v i d e o b a s e d P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y t e c h n i q u e w e r e p e r f o r m e d i n a c y l i n d r i c a l m o d e l heat s t o r a g e m a d e o f p l e x i g l a s s w i t h t h e h e i g h t o f 420 m m , t h e d i a m e t e r o f 200 m m , a w a l l t h i c k n e s s o f 3 m m a n d a w a t e r v o l u m e o f 12.5 d m

.

T h i s m o d e l s t o r a g e w a s o b t a i n e d b y m o d i f i c a t i o n o f t h e s m a l l r e c t a n g u l a r s t o r a g e u s e d e a r l i e r . T h e c y l i n d r i c a l storage w a s t h e r e f o r e s u r r o u n d e d b y a n o u t e r , r e c t a n g u l a r w a t e r v o l u m e .

T h e e x p e r i m e n t s h a d t o b e p e r f o r m e d u n d e r w e l l d e f i n e d c o n d i t i o n s . T h e

i n l e t t e m p e r a t u r e , v e l o c i t i e s a n d f l o w s as w e l l as t h e h e a t losses w e r e t h e r e -

f o r e c a r e f u l l y c o n t r o l l e d d u r i n g the e x p e r i m e n t s . T h e o u t e r w a t e r v o l u m e

c o u l d be h e a t e d i n a n accurate w a y a n d d i f f e r e d o n l y a f e w t e n t h s o f a d e g r e e

f r o m t h e t e m p e r a t u r e o f t h e w a t e r e n t e r i n g t h e storage. T h i s w a s necessary

since w a t e r o n b o t h sides o f t h e c y l i n d r i c a l w a l l g a v e a h i g h o v e r a l l h e a t

t r a n s f e r c o e f f i c i e n t . I t w a s d e s i r a b l e t h a t t h e e x p e r i m e n t s h a d t o be r u n w i t h

t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e s c a u s i n g heat losses q u i t e close t o t h o s e e x p e c t e d i n

r e a l i t y .

S5

T h e c h a r g i n g flow r a t e w a s i n t h e r a n g e 50 m l / m i n - 400 m l / m i n a n d t h e i n l e t t e m p e r a t u r e s i n t h e r a n g e 2 3 ° C - 5 0 ° C . T h e e x p e r i m e n t a l set u p is d e s c r i b e d i n m o r e d e t a i l i n p a p e r E. T h e e x p e r i m e n t a l p r o c e d u r e a n d t h e r e s u l t s are d i s c u s s e d b e l o w .

V E L O C I T Y M E A S U R E M E N T T E C H N I Q U E S

L a s e r D o p p l e r A n e m o m e t r y

V e l o c i t y m e a s u r e m e n t s w i t h Laser D o p p l e r A n e m o m e t r y ( L D A ) w e r e p e r - f o r m e d i n t h e l a r g e m o d e l storage d e s c r i b e d a b o v e . T h e s t o r a g e h a d w i n - d o w s o n d i f f e r e n t l e v e l s t o e n a b l e t h e use o f o p t i c a l m e a s u r e m e n t tech- n i q u e s .

T w o c o m p o n e n t L D A t e c h n i q u e m a d e i t p o s s i b l e t o m e a s u r e v e l o c i t i e s i n t h e v e r t i c a l a n d t a n g e n t i a l d i r e c t i o n p o i n t b y p o i n t . T o get i n f o r m a t i o n f r o m d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n the storage, t h e e q u i p m e n t h a d t o be m o v e d u p w a r d s a n d d o w n w a r d s a l o n g t h e storage. T h e e q u i p m e n t u s e d i n these e x p e r i - m e n t s is d e s c r i b e d i n Paper A .

T w o d i f f e r e n t f o c u s i n g lenses w e r e u s e d , o n e w i t h the f o c a l l e n g t h o f 310 m m f o r m e a s u r e m e n t s i n the centre o f t h e s t o r a g e a n d t h e o t h e r w i t h 80 m m f o c a l l e n g t h f o r m e a s u r e m e n t s i n t h e b o u n d a r y l a y e r n e a r the w a l l . T h e 80 m m lens w a s u s e d t o g e t h e r w i t h a b e a m e x p a n d e r t o get a s m a l l e r m e a s u r i n g v o l u m e a n d t h e r e b y a b e t t e r r e s o l u t i o n .

T h e laser w a s o f H e - N e t y p e w i t h a p o w e r o f 15 m W . T h e p o w e r w a s n o t h i g h e n o u g h t o e n a b l e a back s c a t t e r i n g m o d e w h i c h h a d b e e n m u c h easier t o use. F o r w a r d s c a t t e r i n g m o d e h a d t o be u s e d w i t h t h e c o n s e q u e n c e t h a t t h e p r a c t i c a l h a n d l i n g o f t h e t r a v e r s i n g process b e c a m e v e r y t i m e c o n s u m - i n g . T h e p r o b l e m s w i t h t h e f o c u s i n g o f the p h o t o m u l t i p l i e r e v e r y t i m e t h e e q u i p m e n t w a s m o v e d m a d e i t i m p o s s i b l e t o s t u d y the f u l l y n o n s t a t i o n a r y v e l o c i t y f i e l d .

I t w a s p o s s i b l e h o w e v e r t o m e a s u r e t h e t i m e w i s e v a r i a t i o n i n o n e p o i n t

b o t h i n t h e c o r e o f the storage a n d i n t h e b o u n d a r y l a y e r . I t w a s also p o s s i b l e

t o d e t e r m i n e t h e v e l o c i t y p r o f i l e i n the b o u n d a r y l a y e r .

V e l o c i t y m e a s u r e m e n t s w e r e p e r f o r m e d w i t h i n l e t v e l o c i t i e s i n t h e r a n g e o f 0.001-1.1 m / s a n d w i t h t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e i n t h e r a n g e o f 0 . 5 ° C - 4 0 ° C .

T h e e x p e r i m e n t a l p r o c e d u r e a n d r e s u l t s f r o m t h e v e l o c i t y m e a s u r e m e n t s are d e s c r i b e d i n d e t a i l i n P a p e r A . C o n c l u s i o n s r e g a r d i n g t h e t h e r m a l p e r - f o r m a n c e o f t h e s t o r a g e o n basis o f these v e l o c i t y m e a s u r e m e n t s are s u m - m a r i z e d b e l o w .

W h i t e L i g h t S p e c k l e

T h e p r o b l e m s w i t h t h e L D A m e a s u r e m e n t s t o c a p t u r e t h e n o n s t a t i o n a r y v e l o c i t y f i e l d a n d t h e v e r y t i m e c o n s u m i n g e x p e r i m e n t a l p r o c e d u r e m a d e i t i n t e r e s t i n g t o l o o k f o r a n o t h e r t e c h n i q u e g i v i n g m o r e i n s t a n t a n e o u s i n f o r - m a t i o n .

T h e W h i t e L i g h t Speckle ( W L S ) t e c h n i q u e w a s at t h a t t i m e u s e d at the D i v i s i o n o f E x p e r i m e n t a l M e c h a n i c s w i t h p r o m i s i n g r e s u l t s . T h i s t e c h n i q u e is b a s e d o n t h e use o f t w o flashes w i t h a c e r t a i n t i m e d e l a y , t o o b t a i n a d o u b l e e x p o s u r e p h o t o g r a p h o f p a r t i c l e s i n seeded w a t e r . T h e v e l o c i t i e s c a n b e d e t e r m i n e d b y a n a l y s i s o f i n t e r f e r e n c e f r i n g e s o b t a i n e d w h e n a laser b e a m is a l l o w e d t o pass t h r o u g h t h e n e g a t i v e . T h e p a r t i c l e size a n d t h e t i m e d e l a y h a d t o be m a t c h e d t o t h e v e l o c i t i e s s t u d i e d . T h e a d v a n t a g e w i t h t h e t e c h n i q u e w a s t h a t w i t h g o o d i l l u m i n a t i o n a n d a s u i t a b l e a m o u n t o f s e e d e d p a r t i c l e s i t s h o u l d be p o s s i b l e t o get i n s t a n t a n e o u s i n f o r m a t i o n a b o u t t h e v e l o c i t y f i e l d f o r t h e area c o v e r e d b y t h e p h o t o g r a p h . P r o b l e m s w i t h the i l - l u m i n a t i o n m a d e i t v e r y d i f f i c u l t t o o b t a i n g o o d i n t e r f e r e n c e f r i n g e s , h o w - e v e r , a n d n o r e s u l t s w e r e p u b l i s h e d f r o m t h i s w o r k .

P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y

T h e p r o b l e m s w i t h t h e i l l u m i n a t i o n e x p e r i e n c e d w i t h t h e W L S - t e c h n i q u e

c o u l d be s o l v e d b y u s i n g a laser w i t h a s u f f i c i e n t p o w e r o u t p u t . T h i s m e t h o d

w a s a p p l i e d i n t h e P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y t e c h n i q u e ( P I V ) w h e r e l i g h t

f r o m a n A r g o n laser ( 5 W ) w a s u s e d t o create t h e l i g h t sheet i n the s m a l l rec-

t a n g u l a r m o d e l s t o r a g e d e s c r i b e d a b o v e .

S7

A m e c h a n i c a l s h u t t e r w a s u s e d t o m a k e i t p o s s i b l e t o a c h i e v e m u l t i p l e ex- p o s u r e s o f p h o t o g r a p h s g i v i n g s t r o n g e r i n t e r f e r e n c e f r i n g e s . C o n t a c t c o p i e s w e r e d e v e l o p e d o f each p h o t o g r a p h t o be a n a l y s e d l a t e r o n .

T h e p a r t i c l e s i n t h e l i g h t sheet w e r e e x p o s e d t h r e e t o f i v e t i m e s t o m a k e i t p o s s i b l e t o a c h i e v e t h e b e s t r e s u l t f r o m t h e e v a l u a t i o n . T h e t i m e i n t e r v a l h a d t o be set b e f o r e t h e e x p e r i m e n t w e r e p e r f o r m e d . O f c o u r s e t h i s c a u s e d s o m e p r o b l e m i n t h e e v a l u a t i o n s i n c e t h e c h o s e n t i m e i n t e r v a l i m p l i e d t h a t o n l y a c e r t a i n v e l o c i t y r a n g e c o u l d be d e t e c t e d w i t h accuracy.

T h e e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d i n c o - o p e r a t i o n w i t h t h e D i v i s i o n o f E x p e r i m e n t a l M e c h a n i c s . T h e r e c o r d i n g s w e r e m a d e i n a n d n e a r t h e b o u n d - a r y l a y e r . T h e area e v a l u a t e d w a s a r o u n d 2*2 c m . T h e r e a s o n f o r s t u d y i n g t h e r e g i o n near t h e w a l l w a s t h a t t h e t e c h n i q u e w a s f o u n d t o be s u i t a b l e m a i n l y f o r v e l o c i t y f i e l d s w h e r e t h e f l o w f i e l d is stable a n d t h e c h a n g e s i n t h e v e l o c i t y d i r e c t i o n are s m a l l .

S o m e d i s a d v a n t a g e s w i t h t h e m e t h o d w e r e i d e n t i f i e d . I t w a s necessary t o k n o w i n a q u a l i t a t i v e w a y s o m e t h i n g a b o u t t h e v e l o c i t y l e v e l s a n d t h e v e l - o c i t y r a n g e i n t h e area t h a t s h o u l d be s t u d i e d . O t h e r w i s e p r o b l e m s a p p e a r e d w i t h t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e d i r e c t i o n o f t h e v e l o c i t i e s a n d w i t h a n a p p r o - p r i a t e c h o i c e o f t h e t i m e i n t e r v a l b e t w e e n t h e e x p o s u r e s . M a n y e x p e r i m e n t s t u r n e d o u t t o be w o r t h l e s s d u e t o a b a d choice o f t h e t i m e i n t e r v a l . I n m a n y e x p e r i m e n t s , d i f f e r e n t t i m e i n t e r v a l s h a d t o be u s e d t o c o v e r as m u c h as p o s s i b l e o f t h e v e l o c i t y f i e l d t o be s t u d i e d .

These e x p e r i m e n t s are d e s c r i b e d i n Paper C. C o n c l u s i o n s f r o m these ex- p e r i m e n t s are s u m m a r i z e d b e l o w .

V i d e o b a s e d P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y

T h e p r o b l e m s w i t h s e l e c t i o n o f t h e t i m e i n t e r v a l s b e t w e e n t h e e x p o s u r e s e x p e r i e n c e d w h e n u s i n g t h e P I V - m e t h o d , w e r e s o l v e d w h e n t h e v i d e o b a s e d P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y t e c h n i q u e w a s d e v e l o p e d . I n t h i s , a n o r d i - n a r y v i d e o c a m e r a w a s u s e d f o r r e c o r d i n g o f t h e m o v e m e n t s o f p a r t i c l e s i n seeded w a t e r .

T h e e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d i n t h e s m a l l c y l i n d r i c a l m o d e l h e a t s t o r -

age. T h e o u t e r r e c t a n g u l a r t a n k p r o v i d e d a p l a n e w a l l t o w a r d s t h e v i d e o

c a m e r a w h i c h is b e t t e r t h a n a c y l i n d r i c a l w a l l since i t decreases t h e o p t i c a l d i s t o r t i o n .

T h e p a r t i c l e s u s e d w a s P l i o l i t e A C w i t h a d e n s i t y o f 1 . 0 3 4 T 0

k g / m

. C a l i - b r a t i o n e x p e r i m e n t s m a d e u n d e r s t a n d s t i l l c o n d i t i o n s s h o w e d a f a l l i n g v e l o c i t y f o r t h e p a r t i c l e s u s e d o f 20 u m / s i n g o o d a g r e e m e n t w i t h Stokes t h e o r y . I t w a s c o n c l u d e d t h a t n e g l i g i b l e d e v i a t i o n f r o m t h e f l u i d trace c o u l d b e e x p e c t e d f o r p a r t i c l e s o f size b e l o w 70 u r n .

T h e e x p e r i m e n t s w e r e r e c o r d e d w i t h a v i d e o camera t h a t r e c o r d s p i c t u r e s w i t h a r a t e o f 25 f r a m e s p e r s e c o n d . T h e l e n g t h o f t h e v i d e o t a p e w a s t h e p r a c t i c a l t i m e l i m i t f o r t h e r e c o r d i n g o f a n e x p e r i m e n t ( m a n y h o u r s ) . A f t e r w a r d s t h e v i d e o t a p e c o u l d be e v a l u a t e d w i t h d i f f e r e n t t i m e steps be- t w e e n t h e p i c t u r e s . A p r e d e t e r m i n e d n u m b e r o f f r a m e s w a s r e a d f r o m t h e v i d e o r e c o r d e r t o t h e c o m p u t e r t h r o u g h a f r a m e grabber. T h i s process w a s c o n t r o l l e d b y t h e p r o g r a m N I H - I m a g e . T h e n u m b e r o f f r a m e s t o r e a d a n d t h e r e a l t i m e d e l a y w e r e set f r o m I m a g e . A f t e r noise f i l t e r i n g a n u m b e r o f f r a m e s w e r e s u p e r i m p o s e d w h i c h m a d e i t p o s s i b l e t o d e t e r m i n e p a r t i c l e traces. These traces t u r n e d o u t t o be a n e f f e c t i v e t o o l f o r s h o w i n g t h e f l o w p a t t e r n a n d w e r e o f t e n u s e d i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e v e l o c i t y e v a l u a t i o n t o i n t e r p r e t t h e q u a n t i t a t i v e i n f o r m a t i o n .

T h e v e l o c i t y e v a l u a t i o n w a s p e r f o r m e d i n the c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e p r o - g r a m I G O R , f o r w h i c h s p e c i a l r o u t i n e s w e r e d e v e l o p e d . T h e m a i n p r o b l e m w a s t o d e t e r m i n e w h i c h s p o t s i n a l l i m a g e s t h a t r e p r e s e n t t h e same p a r t i c l e c a p t u r e d at d i f f e r e n t r e a l t i m e s . T h i s w a s p e r f o r m e d i n s p e c i a l r o u t i n e s b a s e d o n t h e c o n c e p t o f d e f i n i n g the area f o r possible d i s p l a c e m e n t s f o r t h e p a r t i c l e s m o v i n g at m a x i m u m v e l o c i t y . A l i m i t f o r t h e c h a n g e o f d i r e c t i o n w a s also d e f i n e d .

I f m o r e t h a n o n e p a r t i c l e w a s f o u n d w i t h i n these l i m i t s , the best f i t t e d o n e w a s accepted f o r d e t e r m i n a t i o n o f t h e t r u e p a r t i c l e trace. T h e v e l o c i t y v e c t o r w a s c a l c u l a t e d f r o m t h i s .

T h e o v e r a l l a c c u r a c y o f t h e m e t h o d is d e t e r m i n e d m a i n l y b y t h e r e s o l u t i o n

o f t h e v i d e o r e c o r d i n g s a n d t h e f r a m e g r a b b e r c a r d . T h e l i m i t e d r e s o l u t i o n

i n n u m b e r o f p i x e l s f o r t h e c o v e r e d s u r f a c e is i m p o r t a n t f o r t h e i n a c c u r a c y

a n d m o r e n a r r o w v i e w g i v e s b e t t e r r e s o l u t i o n . T h e s e c o n d i m p o r t a n t

s o u r c e f o r e r r o r s is t h e c a l i b r a t i o n o f distances i n the s t o r a g e w h i c h w i l l be

So-

u s e d i n t h e e v a l u a t i o n o f t h e v e l o c i t i e s . A n o t h e r s o u r c e f o r e r r o r is t r a c i n g m i s t a k e s . Particles w i t h l o w e r v e l o c i t i e s h a v e a h i g h e r p r o b a b i l i t y t o b e de- t e c t e d m a n y t i m e s .

T h e I G O R - p r o c e d u r e c o u l d also l e a d t o s o m e m i s t a k e s . These c o u l d h o w - e v e r b e a v o i d e d b y d o i n g t h e e v a l u a t i o n w i t h d i f f e r e n t t i m e steps b e t w e e n t h e f r a m e s c a p t u r e d . O t h e r sources f o r e r r o r s as u n e v e n i l l u m i n a t i o n , s p a t i a l d i s t o r t i o n a n d t h e f a c t t h a t p a r t i c l e s m i g h t n o t f o l l o w the f l u i d f l o w w e r e f o u n d t o be o f m i n o r i m p o r t a n c e

T h e t w o m a i n sources f o r e r r o r d i s c u s s e d a b o v e a d d u p t o a m a x i m u m e r r o r o f a b o u t 10% o f t h e m a x i m a l d e t e c t e d v e l o c i t y f o r a close u p v i e w .

T h e v i d e o b a s e d P I V - t e c h n i q u e d e v e l o p e d as p a r t o f t h i s s t u d y w a s f o u n d t o b e v e r y s u i t a b l e f o r m e a s u r e m e n t s o f l o w v e l o c i t i e s i n t w o - d i m e n s i o n a l t r a n s i e n t flow f i e l d s i n w a t e r .

R E S U L T S O F T H E E X P E R I M E N T A L W O R K

T e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s

T e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s i n w a t e r h e a t storage's h a v e f r e q u e n t l y b e e n r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e . R e s u l t s o f t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s i n d i f f e r e n t k i n d s o f storage's h a v e b e e n r e p o r t e d w h e r e t h e e v o l u t i o n o f t e m p e r a t u r e p r o f i l e s f o r storage's d u r i n g d i f f e r e n t c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g c o n d i t i o n s a r e p r e s e n t e d . D i f f e r e n t k i n d s o f i n l e t g e o m e t r i e s are tested a n d t h e d e g r e e o f s t r a t i f i c a t i o n has b e e n e v a l u a t e d f r o m t h e m e a s u r e m e n t s , see f o r i n s t a n c e [ 1 0 , 1 3 ] .

E x t e n s i v e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s w e r e also m a d e as a p a r t o f t h i s s t u d y ,

i n p a r t i c u l a r i n the l a r g e m o d e l h e a t s t o r a g e d e s c r i b e d a b o v e . Results a r e

p r e s e n t e d i n P a p e r A . T e m p e r a t u r e r e c o r d i n g s w e r e also p e r f o r m e d i n t h e

o t h e r m o d e l h e a t storage's b u t t h e m a i n g o a l i n these e x p e r i m e n t s w a s t o

m e a s u r e t h e v e l o c i t y f i e l d . T h e t e m p e r a t u r e r e c o r d i n g s m a d e , w e r e m a i n l y

u s e d f o r d e t e r m i n a t i o n o f t h e l o c a t i o n o f t h e g r a d i e n t z o n e i n t h e storage.

T h e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s p r e s e n t e d i n P a p e r A agree i n g e n e r a l w i t h e x p e r i m e n t a l d a t a p r e s e n t e d b y o t h e r s . T h e m o s t i m p o r t a n t r e s u l t s f r o m the o b s e r v a t i o n s m a d e i n t h i s p a r t o f t h e w o r k are d i s c u s s e d b e l o w .

T h e t e m p e r a t u r e e v o l u t i o n i n a w a t e r h e a t s t o r a g e f o r s t a b l e c h a r g i n g c o n - d i t i o n s is s h o w n i n f i g u r e 1. I t is a g o o d i l l u s t r a t i o n o f t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n p o s s i b l e t o a c h i e v e i n a w a t e r h e a t s t o r a g e d u r i n g g o o d t h e r m a l c o n d i t i o n s .

55, , , . 1 1 1 1

20 I 1 1 1 - i — i — '

0 20 40 60 80 100 120 140 Time (min)

F i g u r e 1. T e m p e r a t u r e v a r i a t i o n f o r e i g h t g a u g e s at d i f f e r e n t l e v e l s f r o m t o p t o b o t t o m i n t h e storage. A T = 2 8 . 7 ° C , q = 0.6 m

/ h , V i

i = 0.0275 m / s .

T h e m e a s u r e d t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n s are t h e c o m b i n e d r e s u l t o f the e f f e c t s o f i n i t i a l m i x i n g b e t w e e n h o t a n d c o l d w a t e r , h e a t d i f f u s i o n i n v e r t i c a l d i r e c t i o n a n d h e a t losses t h r o u g h t h e w a l l s .

T h e f i r s t p a r t o f a c h a r g i n g o r d i s c h a r g i n g p e r i o d is v e r y i m p o r t a n t f o r t h e

e s t a b l i s h i n g o f t h e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t i n t h e s t o r a g e . T h e t e m p e r a t u r e

d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e h o t a n d c o l d w a t e r i n the s t o r a g e as w e l l as t h e i n l e t

v e l o c i t y w i l l i n f l u e n c e t h e e x t e n t o f i n i t i a l m i x i n g . T h e w a r m e r w a t e r w i l l

S i l

p e n e t r a t e t h e c o l d w a t e r d o w n t o a c e r t a i n d e p t h . T h i s v o l u m e is m i x e d d u r i n g t h e c h a r g i n g a n d causes t h e s l o w e r g r o w t h o f t h e t e m p e r a t u r e .

A f t e r t h e g r a d i e n t z o n e has b e e n e s t a b l i s h e d , i t w i l l be e f f e c t e d p r i m a r i l y b y h e a t d i f f u s i o n a n d n a t u r a l c o n v e c t i o n . T h e s e p h e n o m e n a a r e i m p o r t a n t i n p a r t i c u l a r d u r i n g s t a n d s t i l l .

H e a t d i f f u s i o n i n w a t e r h e a t storage's is a l w a y s p r e s e n t w h e r e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e s are e s t a b l i s h e d . T h e h e a t f l o w is p r o p o r t i o n a l t o t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e b u t t h e d e g r e e o f d i f f u s i o n w i l l be a f f e c t e d b y t h e i n t e r n a l f l o w a n d i n c r e a s e d c o m p a r e d t o t h e d i f f u s i o n b e t w e e n s o l i d b o d i e s .

T h e e f f e c t s f r o m n a t u r a l c o n v e c t i o n b e c o m e s m o r e i m p o r t a n t as t h e h e i g h t o f t h e h o t w a t e r v o l u m e increases.

O n e o f s e v e r a l p o s s i b l e m e a s u r e s f o r t h e t e m p e r a t u r e s t r a t i f i c a t i o n

s u g g e s t e d b y S l i w i n s k y [ 1 3 ] , is t h e m a g n i t u d e o f t h e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t i n t h e g r a d i e n t z o n e . I n p a p e r A a n d P a p e r B c a l c u l a t i o n o f t h e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t f o r d i f f e r e n t c h a r g i n g s i t u a t i o n s are r e p o r t e d .

A g o o d s t o r a g e s h o u l d h a v e a h i g h v a l u e o f t h e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t , i n d i - c a t i n g l o w d e g r e e o f m i x i n g a n d l o w i m p a c t f r o m d i f f u s i o n .

F i g u r e 2 i l l u s t r a t e s h o w t h e m a g n i t u d e o f t h e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t i n the g r a d i e n t z o n e decreases as t h e z o n e m o v e s d o w n i n t h e storage, d u e t o m i x i n g a n d d i f f u s i o n .

T h e h o r i z o n t a l t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n w a s u n i f o r m i n a l l t h e m e a s u r e -

m e n t s p e r f o r m e d i n t h e l a r g e s t o r a g e m o d e l . T h i s o b s e r v a t i o n is i m p o r t a n t

f o r t h e v e l o c i t y m e a s u r e m e n t s m a d e b y the use o f P a r t i c l e I m a g e V e l o c i -

m e t r y t e c h n i q u e , w h e r e o n e p l a n e i n s i d e the s t o r a g e is e v a l u a t e d a n d s y m -

m e t r i c a l c o n d i t i o n s w i t h r e s p e c t t o b o t h t e m p e r a t u r e s a n d v e l o c i t i e s are

a s s u m e d .

- 1 1 - 1 1 1 1

: I

A A A A ^{a a}

_ - / u U U V VV v V v

0 20 40 60 80 100 120 ' 140 Time (min)

F i g u r e 2. T e m p e r a t u r e g r a d i e n t v s t i m e as c a l c u l a t e d at e i g h t d i f f e r e n t l e v e l s f o r a n o r m a l c h a r g i n g . A T = 2 8 . 7 ° C

q = 0.6 m

/ h , v j

i = 0.0275 m / s .

D u r i n g s t a n d s t i l l , the t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a b o v e t h e g r a d i e n t z o n e w a s e q u a l i z e d m a i n l y b y i n f l u e n c e f r o m B e n a r d c o n v e c t i o n i n d u c e d f r o m h e a t losses at the t o p b u t also f r o m t h e i n t e r n a l f l o w i n the storage. C o l d w a t e r at t h e t o p is i n f a c t t h e m o s t e f f e c t i v e w a y t o m i x a s t o r a g e c o m p l e t e l y d o w n t o t h e g r a d i e n t z o n e a n d get a h o m o g e n e o u s t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i n t h a t p a r t .

D u r i n g c h a r g i n g a g r a d i e n t z o n e w i l l be e s t a b l i s h e d . T h e i n f l u e n c e f r o m

h e a t losses at the t o p w i l l t h e n be d i m i n i s h e d . B e l o w t h e g r a d i e n t z o n e a

s e c o n d a r y s t r a t i f i c a t i o n w a s f o u n d . H e a t losses at t h e w a l l caused a b o u n d a r y

l a y e r f l o w o f c o l d w a t e r t o pass d o w n w a r d s a n d stay d u e t o b u o y a n c y i n the

b o t t o m o f t h e storage.

S13

M I X I N G N E A R T H E I N L E T

W h e n a h o t w a t e r s t o r a g e is c h a r g e d , t h e e s t a b l i s h i n g o f t h e g r a d i e n t z o n e is i n f l u e n c e d b y t h e m i x i n g b e t w e e n h o t a n d c o l d w a t e r . I n t h e b e g i n n i n g o f a c h a r g i n g p e r i o d , b u o y a n c y f o r c e s c a u s e d b y t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e are c o u n t e r a c t i n g i n e r t i a f o r c e s w h i c h are p r o p o r t i o n a l t o t h e i n l e t v e l o c i t y .

T h e m i x i n g w i l l be l o w i f t h e i n l e t v e l o c i t y is l o w . F o r h i g h i n l e t v e l o c i t i e s o r l o w t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e s , severe m i x i n g can be e x p e c t e d . T h i s m e a n s t h a t t h e i n c o m i n g w a t e r p e n e t r a t e s d o w n w a r d s i n t h e s t o r a g e a l o n g t h e w a l l s a n d t h a t t h e h o t w a t e r w i l l m i x w i t h t h e c o l d e r w a t e r d o w n t o a cer- t a i n d e p t h , t h e i n i t i a l p e n e t r a t i o n d e p t h . T h i s i m p o r t a n t q u a n t i t y c o u l d be d e t e r m i n e d f r o m t h e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s r e p o r t e d i n p a p e r A .

T h e R i c h a r d s s o n - n u m b e r w h i c h is d e f i n e d as t h e r a t i o b e t w e e n t h e b u o y - a n c y f o r c e s a n d t h e i n e r t i a f o r c e s is o f t e n u s e d t o e v a l u a t e w h e t h e r severe m i x i n g w i l l o c c u r o r n o t . T h e R i - n u m b e r u s e d b y C o l e et. a l [10] w a s d e f i n e d as

R i = g ß A T L / v

w h e r e t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e i n l e t a n d t h e o u t l e t o f t h e s t o r a g e w a s c h o s e n as c h a r a c t e r i s t i c l e n g t h . T h e i n t e r p r e t a t i o n o f t h i s d e f i n i t i o n is t h a t m i x i n g d e p e n d s o n t h e t o t a l h e i g h t a n d t h a t n o t o n l y t h e c o n d i t i o n s n e a r t h e i n l e t are i m p o r t a n t . T h i s a p p e a r s as p h y s i c a l l y u n r e a s o n a b l e .

I n P a p e r A a n a l t e r n a t i v e c h a r a c t e r i s t i c l e n g t h f o r t h e R i - n u m b e r w a s t h e r e - f o r e s u g g e s t e d w h e r e i t w a s d e f i n e d as t h e u n i t y l e n g t h . T h i s d e f i n i t i o n m a k e s t h e r e s u l t s v a l i d o n l y f o r t h e s t o r a g e tested b u t g i v e s at least

q u a l i t a t i v e i n f o r m a t i o n a b o u t h o w the i n i t i a l l y m i x e d v o l u m e d e p e n d s o f t h e R i - n u m b e r . *

* Hermansson,1993, defines the characteristic velocity in the Ri-number to be

v=dinl/Dsto*vini where d j

l = distance of the inlet slot, D

to=the storage diameter and

vinl = the inlet velocity. This definition takes into account the storage diameter which

should effect the level of mixing.

E x p e r i m e n t s r e p o r t e d i n P a p e r A w e r e p e r f o r m e d f o r d i f f e r e n t c h a r g i n g c o n d i t i o n s w h e r e t h e i n i t i a l m i x i n g v o l u m e w a s c a l c u l a t e d a n d c o m p a r e d t o t h e R i - n u m b e r .

F i g u r e 3 i n d i c a t e s t h a t s e v e r e m i x i n g occurs f o r

R i < 0.2

800

700

600

ä ⁵⁰⁰

"O

0)

400

300

200

100

- 8 - 4 0 2

ln(Ri) O

0 o

o o

o o o

° o s ⁰

F i g u r e 3. I n i t i a l l y m i x e d v o l u m e vs n a t u r a l l o g a r i t h m o f R i - n u m b e r . 10

T h e f i g u r e i l l u s t r a t e s also t h a t t h e i n i t i a l m i x i n g v o l u m e is a l m o s t c o n s t a n t f o r

R i > 0.2

o n a l e v e l o f a b o u t 2.5% o f the storage v o l u m e . T a k i n g t h e s u g g e s t i o n b y H e r m a n s s o n i n t o a c c o u n t severe m i x i n g can be e x p e c t e d f o r R i < 0.25. T h e l e v e l o f m i x i n g f o r stable c o n d i t i o n s p r o p o s e d a b o v e w a s u s e d i n t h e

t h e r m a l m o d e l p r e s e n t e d i n P a p e r F w h e r e t h e r m a l losses f r o m a w a t e r heat

s t o r a g e i n s t a l l e d i n a d i s t r i c t h e a t i n g s y s t e m w e r e a n a l y s e d . T h e i n i t i a l

p e n e t r a t i o n d e p t h w e r e f o u n d i n p a p e r A t o be 7.5% o f t h e s t o r a g e v o l u m e .

S15

W h e n t h e g r a d i e n t z o n e has m o v e d a w a y a n d t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e n e a r t h e i n l e t b e c o m e s s m a l l , t h e b u o y a n c y w i l l decrease a n d i n e r t i a f o r c e s w i l l d o m i n a t e t h e b e h a v i o u r . L a r g e scale c o n v e c t i o n cells w i l l be e s t a b h s h e d i f t h e v e l o c i t y l e v e l is s u f f i c i e n t l y h i g h . These c o n v e c t i o n cells w i l l e f f e c t t h e o v e r a l l b e h a v i o u r i n t h e s t o r a g e a n d causes l a r g e c e l l m o v e m e n t w i t h e x t e n s i o n f r o m t h e i n l e t d o w n t o t h e g r a d i e n t z o n e , s h o w n i n P a p e r C a n d P a p e r E.

T h e b e h a v i o u r near t h e i n l e t w e r e s t u d i e d i n P a p e r E w h e r e v i d e o b a s e d P r V - t e c h n i q u e w a s u s e d t o v i s u a l i z e t h e v e l o c i t y f i e l d b y c r e a t i n g p a r t i c l e t r a c i n g p i c t u r e s , b u t also t o q u a n t i f y t h e v e l o c i t y f i e l d i n t h e storage. F i g u r e 4 a n d 5 s h o w t h e p a r t i c l e t r a j e c t o r i e s a c h i e v e d near t h e i n l e t d u r i n g l o a d i n g a n d t h e c o r r e s p o n d i n g v e l o c i t y f i e l d a c h i e v e d f o r a sequence o f p i c t u r e s w i t h d i f f e r e n t t i m e d e l a y s . I t i l l u s t r a t e s i n a clear w a y t h e c e l l f l o w t h a t a p p e a r s n e a r t h e i n l e t b u t also the i n i t i a l g r o w t h o f the l a r g e scale c o n v e c t i o n c e l l near the w a l l . T h i s c e l l w i l l g r o w as t h e g r a d i e n t z o n e m o v e s d o w n w a r d s .

10fr 1frte

F i g u r e 4. P a r t i c l e t r a j e c t o r i e s near t h e i n l e t d u r i n g c h a r g i n g .

O 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0

distance from the inlet(mm)

F i g u r e 5. T h e r e s u l t i n g v e l o c i t y f i e l d a f t e r e v a l u a t i o n o f p a r t i c l e traces.

B O U N D A R Y L A Y E R B E H A V I O U R

T h e b o u n d a r y l a y e r b e h a v i o u r w a s s t u d i e d b y u s i n g L D A - t e c h n i q u e f o r m e a s u r i n g t h e v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n near t h e w a l l i n t h e l a r g e m o d e l h e a t storage, d e s c r i b e d i n Paper A . I t w a s also s t u d i e d i n t h e r e c t a n g u l a r heat s t o r a g e b y the use o f P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y t e c h n i q u e r e p o r t e d i n P a p e r C a n d i n t h e c y l i n d r i c a l m o d e l heat storage, w h e r e v i d e o - b a s e d P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y t e c h n i q u e w a s u s e d , Paper E.

T h e r m a l losses t h r o u g h t h e o u t e r w a l l causes n a t u r a l c o n v e c t i o n w h i c h w i l l b r o a d e n t h e g r a d i e n t z o n e . Issues o f i n t e r e s t are t h e f l o w r e g i m e , t h e v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n i n the b o u n d a r y l a y e r , i n t e r a c t i o n b e t w e e n the b o u n d - a r y l a y e r a n d t h e core a n d f i n a l l y i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e b o u n d a r y l a y e r a n d t h e g r a d i e n t z o n e . A l l these issues w e r e s t u d i e d i n t h e e x p e r i m e n t s .

T h e f l o w r e g i m e i n t h e b o u n d a r y l a y e r c a n b e e i t h e r l a m i n a r o r t u r b u l e n t .

T h e f l o w r e g i m e is o f i n t e r e s t because i t d e t e r m i n e s t h e h e a t t r a n s f e r

c o e f f i c i e n t . T h e c r i t i c a l v a l u e f o r t r a n s i t i o n c a n be g i v e n b y t h e R a y l e i g h -

n u m b e r .

S17

A s t h e g r a d i e n t z o n e m o v e s d o w n w a r d s t h e d r i v i n g h e i g h t f o r n a t u r a l c o n v e c t i o n i s s m a l l i n t h e u p p e r p a r t o f t h e s t o r a g e w h e n t h e g r a d i e n t z o n e is close t o t h e t o p . L a m i n a r c o n d i t i o n s i n t h e b o u n d a r y l a y e r c a n t h e n be e x p e c t e d . W h e n t h e g r a d i e n t z o n e m o v e s d o w n w a r d s t h e a v a i l a b l e h e i g h t a n d t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e w i l l i n c r e a s e a n d t u r b u l e n t b e h a v i o u r o c c u r s . B e f o r e t r a n s i t i o n t o t u r b u l e n t f l o w , t h e v e l o c i t y w i l l i n c r e a s e w i t h t h e d r i v i n g h e i g h t . A f t e r t r a n s i t i o n t h e v e l o c i t y b e c o m e s v i r t u a l l y c o n s t a n t .

T h i s has b e e n o b s e r v e d i n e x p e r i m e n t s p e r f o r m e d i n t h e l a r g e m o d e l

s t o r a g e , r e p o r t e d i n P a p e r A . F i g u r e 6 s h o w s h o w t h e v e l o c i t y d e p e n d s o f the

a v a i l a b l e h e i g h t . T h e r e c o r d i n g s w e r e m a d e a t t h e p o s i t i o n i n t h e b o u n d a r y

l a y e r w h e r e t h e m a x i m u m v e l o c i t y w a s e x p e c t e d t o a p p e a r . T h e r e is a s t r o n g

i m p a c t f r o m t h e g r a d i e n t z o n e o n t h e b o u n d a r y l a y e r . T h e v e l o c i t y l e v e l is

q u i t e c o n s t a n t a n d i t is o n l y j u s t b e f o r e t h e g r a d i e n t z o n e a r r i v e s t o t h e

m e a s u r i n g p o i n t o n e c a n o b s e r v e a d e p e n d e n c e o n t h e h e i g h t t o s o m e ex-

t e n t . A f t e r t h e g r a d i e n t z o n e has passed, the v e l o c i t y l e v e l b e c o m e s c o n s t a n t

o n a h i g h e r l e v e l , i n d i c a t i n g a d e p e n d e n c e o n t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e .

Based o n these o b s e r v a t i o n s t h e c r i t i c a l R a - n u m b e r c o u l d be d e t e r m i n e d t o

a b o u t 1 0

. A w e a k i n f l u e n c e f r o m t h e h e i g h t i n t h e b o u n d a r y l a y e r v e l o c i t y

w a s also f o u n d i n P a p e r C , f i g u r e 10.

F i g u r e 6. M a x i m u m v e l o c i t y i n t h e b o u n d a r y l a y e r a n d t e m p e r a t u r e s

v s t i m e . v

t = 0.22 m m / s , Vini = 0.31 m / s .

S19

T h e d e p e n d e n c e o n t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e t o t h e s u r r o u n d i n g w a s c a l c u l a t e d f o r a l l e x p e r i m e n t s r e p o r t e d i n P a p e r A a n d P a p e r B a n d t h e r e s u l t s are s h o w n i n f i g u r e 7, w h e r e i t c a n be seen t h a t t h e m a x i m u m v e l o c i t y is p r o p o r t i o n a l t o t h e s q u a r e r o o t o f t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e t o t h e s u r r o u n d i n g s .

6 i 1 1 1 1 — r 1

2 3 4 5 Square root of temperature difference

F i g u r e 7. M a x i m u m v e l o c i t y i n t h e b o u n d a r y l a y e r vs t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e core a n d t h e s u r r o u n d i n g air.

T h e Laser D o p p l e r t e c h n i q u e u s e d i n Paper A w a s s u i t a b l e f o r s t u d i e s o f

v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n s i n t h e b o u n d a r y l a y e r w h e n s t a t i o n a r y c o n d i t i o n s h a d

b e e n e s t a b l i s h e d . T h e v e l o c i t y p r o f i l e i n the b o u n d a r y l a y e r w a s m e a s u r e d

u n d e r s t a n d s t i l l c o n d i t i o n s , at d i f f e r e n t distances f r o m t h e t o p . O n e ex-

a m p l e o f a m e a s u r e d d i s t r i b u t i o n is p r e s e n t e d i n f i g u r e 8 a n d s h o w s a v e l -

o c i t y p r o f i l e w h i c h is s i m i l a r t o p r e d i c t i o n s w i t h l a m i n a r t h e o r y . S i m i l a r

o b s e r v a t i o n s are p r e s e n t e d i n P a p e r B w h e r e v e l o c i t y p r o f i l e s b o t h f o r s t a n d

s t i l l a n d f o r c h a r g i n g c o n d i t i o n s are p r e s e n t e d .

3.5

2.5

I ²

o 1.5 o

0.5

4 6 8 Distance to the wall (mm)

10

F i g u r e 8. V e l o c i t i e s i n t h e b o u n d a r y l a y e r vs d i s t a n c e t o t h e w a l l 0.7 m f r o m t h e t o p .

12

S i m i l a r r e s u l t s are also r e p o r t e d i n Paper E w h e r e t h e v i d e o b a s e d P I V - t e c h n i q u e w a s u s e d f o r t h e v e l o c i t y m e a s u r e m e n t s . F i g u r e 9 s h o w s t h e e v a l u a t i o n o f t h e v e l o c i t y p r o f i l e d u r i n g s t a n d s t i l l . A l a m i n a r b e h a v i o u r w a s e x p e c t e d a n d t h e v e l o c i t y p r o f i l e w a s i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e o r y . T h e m a x i m u m v e l o c i t y w a s l o w e r d u e t o a s m a l l d e g r e e o f s t r a t i f i c a t i o n .

O b s e r v a t i o n s r e l e v a n t f o r the i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e b o u n d a r y l a y e r a n d t h e core o f t h e f l o w are r e p o r t e d i n p a p e r A .

A c o m p a r i s o n b e t w e e n v e l o c i t y p r o f i l e s o b t a i n e d at d i f f e r e n t h e i g h t s d u r i n g

s t a n d s t i l l s h o w t h a t b o t h t h e m a x i m u m v e l o c i t y a n d t h e w i d t h o f t h e

b o u n d a r y l a y e r are a l m o s t constant, i n d i c a t i n g n o d e p e n d e n c e o f t h e h e i g h t .

S21

-8 -6

•120 A ^{; / i h - 1 2 0}

-130 H h - 1 3 0

E

£ O o tu

o Ol u ro

-140 H

-150 H

h - 1 4 0

F i g u r e 9 a. T h e r e s u l t o f t h r e e d i f - f e r e n t e v a l u a t i o n s o f v e l o c i t i e s , s e p a r a t e d i n r e a l t i m e t o g i v e b e t t e r f i e l d i n f o r m a t i o n . F i e l d r e c o r d e d a f t e r 3 h s t a n d s t i l l . P a r t i c l e s o f size 20- 38 u r n .

•160 H

i i I i i i I i i i I i i i l

-8 -6 -4 -2 0 d i s t a n c e f r o m t h e w a l l ( m m )

0 . 0 - CD -0.1 - -0.2 - ( m -0.3- en 0) - 0 . 4 - ' 0 - 0 . 5 -

o l u - 0 . 6 -

> _{- 0 . 7 - - 0 . 7 -}

F i g u r e 9 b . D e t e c t e d v e l o c i t i e s i n the b o u n d a r y l a y e r v e r s u s d i s t a n c e t o t h e w a l l . Least m e a n s q u a r e f i t o f a p o l y n o m i a l o f t h i r d degree a d d e d .

d i s t a n c e f r o m t h e w a l l ( m m )

T h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e b o u n d a r y l a y e r a n d t h e g r a d i e n t z o n e w a s s t u d i e d i n t h e e x p e r i m e n t s r e p o r t e d i n p a p e r A , C a n d E.

L a r g e c o n v e c t i o n cells h a v e been o b s e r v e d i n t h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n P a p e r C w h e r e v e l o c i t y m e a s u r e m e n t s w e r e p e r f o r m e d i n t h e b o u n d a r y l a y e r f o r a p o s i t i o n b e l o w , i n a n d a b o v e t h e g r a d i e n t z o n e . T h e v e l o c i t y d i r e c t i o n s d e t e c t e d , i n d i c a t e t w o l a r g e c o n v e c t i o n cells, o n e a b o v e a n d t h e o t h e r b e l o w t h e g r a d i e n t z o n e . T h e e x t e n s i o n o f t h e cells is d e t e r m i n e d b y the p o s i t i o n o f t h e g r a d i e n t z o n e . F i g u r e 10 s h o w s t h e v e l o c i t y f i e l d b e l o w t h e g r a d i e n t z o n e a n d t h e c o r r e s p o n d i n g i n w a r d s d i r e c t i o n o f t h e f l o w i n t h i s p a r t o f t h e s t o r a g e . S i m i l a r r e s u l t s h a v e b e e n f o u n d i n P a p e r E a n d t h e r e s u l t s f r o m P a p e r A c o n f i r m s t h e c o n c l u s i o n s w h e r e f i g u r e 6 s h o w t h a t t h e m a x i m u m v e r t i c a l v e l o c i t y decreases d o w n t o z e r o at the t i m e w h e n t h e g r a d i e n t z o n e a r r i v e s t o t h e m e a s u r i n g p o i n t . D u e t o c o n t i n u i t y reasons t h i s m e a n s t h a t t h e v e l o c i t y f i e l d m u s t c h a n g e d i r e c t i o n a n d t u r n s t o w a r d s t h e w a l l u n d e r t h e g r a d i e n t z o n e a n d t o w a r d s t h e core a b o v e t h e g r a d i e n t z o n e . T h i s is a g o o d i n d i c a t i o n f o r a l a r g e scale c o n v e c t i o n f l o w .

F i g u r e 10a. T r i p l e e x p o s e d p h o t o g r a p h o f t h e f l o w b e l o w t h e g r a d i e n t z o n e ,

i n a n d near the b o u n d a r y l a y e r . T i m e b e t w e e n exposures: A t =

1.5 s.