พลูม (Plume) ความเข้าใจเกี่ยวกับพลูมในพลศาสตร์ของไหลและการแพร่กระจาย

สรุปใจความสำคัญ

พลูมคือมวลของไหลที่เคลื่อนที่ผ่านของไหลอีกชนิดหนึ่ง โดยถูกควบคุมด้วยโมเมนตัม แรงลอยตัว และการแพร่
พลูมสามารถแบ่งออกเป็นเป็นพลูมลอยตัวเป็นบวก (ลอยขึ้น) และพลูมลอยตัวเป็นลบ (จมลงแต่มีโมเมนตัมเริ่มต้นให้ลอยขึ้น)
แบบจำลองกาวสเซียน (Gaussian Plume Model) ใช้สำหรับคำนวณการกระจายความเข้มข้นของมลพิษในอากาศและน้ำ

ในทางไฮโดรไดนามิกส์ (Hydrodynamics) พลูม (Plume) หรือคอลัมน์ของไหล คือมวลของไหลที่เคลื่อนที่ในแนวตั้งผ่านของไหลอีกชนิดหนึ่ง การเคลื่อนที่ของพลูมถูกควบคุมโดยปัจจัยหลายประการ ได้แก่ โมเมนตัม (ความเฉื่อย), การแพร่ (อุณหภูมิ, ความหนืด, แรงตึงผิว) และแรงลอยตัว (ความแตกต่างของความหนาแน่นของมวล)

ประเภทของพลูม

การจำแนกพลูมขึ้นอยู่กับแรงขับเคลื่อนหลักของการไหล:

เจ็ต (Jets): การไหลที่ขับเคลื่อนด้วยโมเมนตัมเพียงอย่างเดียว
พลูมบริสุทธิ์ (Pure Plumes): การไหลที่ขับเคลื่อนด้วยแรงลอยตัวเพียงอย่างเดียว
เจ็ตลอยตัว (Buoyant Jets) และ พลูมแบบบังคับ (Forced Plumes): การไหลที่อยู่ระหว่างสองกรณีข้างต้น

พลูมจะถูกเรียกว่า มีความลอยตัวเป็นบวก (Positively Buoyant) เมื่อมวลของไหลมีแนวโน้มที่จะลอยขึ้นในสภาวะปกติ และจะเรียกว่า มีความลอยตัวเป็นลบ (Negatively Buoyant) เมื่อความหนาแน่นของมวลของไหลมากกว่าสิ่งแวดล้อมรอบข้าง (ซึ่งตามธรรมชาติจะจมลง) แต่มีโมเมนตัมเริ่มต้นที่เพียงพอที่จะทำให้มันลอยขึ้นได้

การเคลื่อนที่และการตรวจจับ

เมื่อพลูมเคลื่อนที่ห่างจากแหล่งกำเนิด มันมักจะขยายตัวกว้างขึ้นเนื่องจากการดึงเอาของไหลรอบข้างเข้ามา (Entrainment) รูปร่างของพลูมอาจได้รับอิทธิพลจากการไหลของของไหลในสิ่งแวดล้อม เช่น ลมที่พัดในทิศทางเดียวกับพลูม ซึ่งอาจทำให้พลูมที่เริ่มต้นด้วยแรงลอยตัวเปลี่ยนเป็นพลูมที่ขับเคลื่อนด้วยโมเมนตัม โดยการเปลี่ยนผ่านนี้มักจะถูกทำนายด้วย เลขริชาร์ดสัน (Richardson number)

การไหลแบบราบเรียบและการไหลแบบปั่นป่วน

ปรากฏการณ์ที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือการเปลี่ยนผ่านจากการไหลแบบราบเรียบ (Laminar flow) ไปสู่การไหลแบบปั่นป่วน (Turbulent flow) เมื่อพลูมเคลื่อนที่ห่างจากแหล่งกำเนิด ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือควันบุหรี่ที่ลอยขึ้น ซึ่งส่วนปลายของกระแสไหลมักจะมีรูปร่างเป็นวงแหวน (Ring-vortex)

การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ (CFD)

เมื่อต้องการความแม่นยำสูง จะมีการใช้ พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (Computational Fluid Dynamics - CFD) เพื่อจำลองพลูม เช่น พลูมของจรวด ซึ่งมีความซับซ้อนเนื่องจากมีทั้งสถานะก๊าซและสถานะควบแน่น รวมถึงผลกระทบจากการเผาไหม้ซ้ำ (Afterburning) และการแผ่รังสีความร้อน

ประเภทของพลูมในสถานการณ์จริง

ประเภทพลูม	ลักษณะการเกิด	ตัวอย่าง
พลูมความร้อน (Thermal Plume)	ก๊าซที่ได้รับความร้อนจะขยายตัวและมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศรอบข้างจึงลอยขึ้น	ควันจากปล่องไฟ
พลูมมลพิษทางน้ำ (Groundwater Plume)	สารปนเปื้อนที่รั่วไหลลงสู่ชั้นหินอุ้มน้ำ (Aquifer) และแพร่กระจายไปตามกระแสน้ำใต้ดิน	การปนเปื้อนของสารเคมีในน้ำบาดาล
พลูมมลพิษทางอากาศ (Air Pollution Plume)	การแพร่กระจายของมลพิษในชั้นบรรยากาศ	ควันจากโรงงานอุตสาหกรรม

แบบจำลองพลูมอย่างง่าย

แบบจำลองอย่างง่ายช่วยให้สามารถศึกษาคุณสมบัติของพลูมแบบปั่นป่วนที่พัฒนาเต็มที่ได้ โดยมีข้อสมมติฐานหลักดังนี้:

สมมติว่าความแตกต่างของความดันถูกกำหนดโดยสภาพแวดล้อมที่ห่างจากพลูม
การกระจายตัวของความหนาแน่นและความเร็วถูกจำลองด้วย การกระจายแบบกาวสเซียน (Gaussian distribution) หรือแบบ Top hat model (สม่ำเสมอทั่วทั้งพลูม)
อัตราการดึงของไหลรอบข้าง (Entrainment rate) จะแปรผันตามความเร็วเฉพาะจุด

สำหรับพลูมที่ลอยขึ้นอย่างง่าย แบบจำลองเหล่านี้ทำนายว่าพลูมจะขยายตัวด้วยมุมครึ่งหนึ่ง (Half-angle) ประมาณ 6 ถึง 15 องศา

แบบจำลองพลูมกาวสเซียน (Gaussian Plume Model)

แบบจำลองกาวสเซียนถูกนำมาใช้ในหลายสถานการณ์เพื่อคำนวณการกระจายความเข้มข้นของสารละลาย เช่น การปล่อยควันจากปล่องไฟหรือสารปนเปื้อนในแม่น้ำ การกระจายตัวนี้เกิดขึ้นจากการแพร่แบบฟิกเกียน (Fickian diffusion) และมีลักษณะเป็นรูปทรงระฆังคว่ำ

คำถามที่พบบ่อย

พลูม (Plume) คืออะไร?

พลูมคือมวลของไหลที่เคลื่อนที่ในแนวตั้งผ่านของไหลอีกรอบข้าง โดยมีแรงขับเคลื่อนหลักคือโมเมนตัมและความแตกต่างของความหนาแน่น (แรงลอยตัว)

ความแตกต่างระหว่างเจ็ต (Jet) และพลูม (Plume) คืออะไร?

เจ็ตขับเคลื่อนด้วยโมเมนตัม (ความเฉื่อย) เป็นหลัก ในขณะที่พลูมขับเคลื่อนด้วยแรงลอยตัว (ความแตกต่างของความหนาแน่น) เป็นหลัก

พลูมมลพิษทางน้ำเกิดขึ้นได้อย่างไร?

เกิดขึ้นเมื่อสารปนเปื้อนถูกปล่อยลงสู่พื้นดินและซึมลงสู่ชั้นหินอุ้มน้ำ (Aquifer) ทำให้เกิดมวลน้ำปนเปื้อนที่เคลื่อนที่และแพร่กระจายไปตามกระแสน้ำใต้ดิน