Search

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα των τρισδιάστατων διανυσμάτων των τυρβωδών πεδίων ταχύτητας και στροβιλότητας στην εγγύς περιοχή της τυρβώδους ορθογωνικής δέσμης με λόγο σύγκλισης 6. Οι τυρβώδεις ορθογωνικές ελεύθερες δέσμες έχουν πρακτικό ενδιαφέρον για την καύση, την πρόωση και τις περιβαλλοντικές ροές. Για την μέτρηση των μέσων και στατιστικών χαρακτηριστικών των συνιστωσών των δυο πεδίων σε διαφορετικές θέσεις στην εγγύς περιοχή της δέσμης χρησιμοποιήθηκε κεφαλή 12-αισθητήρων θερμού νήματος αποτελούμενη από τρεις κεφαλές 4 αισθητήρων. Η κεφαλή 12-αισθητήρων μετράει ταυτόχρονα τις τρεις συνιστώσες της ταχύτητας σε τρεις διαφορετικές θέσεις και επιτρέπει τον υπολογισμό των χωρικών παραγώγων του ανύσματος της ταχύτητας με την μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών με ακρίβεια πρώτης τάξεως. Η κατασκευή της κεφαλής 12-αισθητήρων και η τεχνική μέτρηση βασίζεται στην εργασία των Lemonis & Drakos (1995) και Lemonis (1995) και έχει περαιτέρω βελτιωθεί στο Εργαστήριο Τεχνικής Θερμοδυναμικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Οι μετρήσεις διεξήχθησαν σε αριθμό Reynolds, ReD = 21000 σε αποστάσεις κατά μήκος της ροής ίσες προς x/D =1, 3, 6 και 11, όπου D είναι το πλάτος του ακροφυσίου. Η αξιοπιστία της κεφαλής 12-αισθητήρων εκτιμήθηκε σε σύγκριση με τα αποτελέσματα της κεφαλής αισθητήρων X. Τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις του πεδίου ταχύτητας και με τις δύο κεφαλές είναι σε καλή συμφωνία, εκτός από τις θέσεις όπου οι μεγάλες χωρικές κλίσεις της ταχύτητας και η τρισδιαστατότητα του πεδίου ταχύτητας υπονομεύουν τις μετρήσεις με την κεφαλή αισθητήρων Χ. Οι στατιστικές ιδιότητες των πεδίων της ταχύτητας και στροβιλότητας που υπολογίστηκαν από τις μετρήσεις με την κεφαλή 12-αισθητήρων εκτιμιούνται σε σύγκριση με πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα άλλων ερευνητών. Οι κατανομές των κυμαινόμενων πεδίων της ταχύτητας και στροβιλότητας δείχνουν ότι στην περιοχή του πυρήνα δυναμικού οι τιμές είναι αρκετά χαμηλές στον κεντρικό άξονα της δέσμης και αρκετά υψηλές στα διατμητικά στρώματα. Κατάντι της ροής οι διακυμάνσεις της ταχύτητας και στροβιλότητας μεταφέρονται από τα διατμητικά στρώματα προς το κέντρο και τις άκρες της δέσμης και οδηγούν στη συγχώνευση των διατμητικών στρωμάτων. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν επίσης τα υψηλά επίπεδα του ρυθμού εκφυλισμού (dissipation rate) στα διατμητικά στρώματα. Το ισοζύγιο της τυρβώδους ενέργειας παρουσιάζει σημαντικές διαφορές με το αντίστοιχο της επίπεδης δέσμης. Η σύγκριση των όρων της εξίσωσης της μέσης τετραγωνικής διακύμανσης της στροβιλότητας στη θέση x/D=11 δείχνει ότι η περιστροφή και η διάταση λόγω των διακυμάνσεων του ρυθμού παραμόρφωσης (strain rate) εξισορροπείται από τον ιξώδη εκφυλισμό της στροβιλότητας. Οι ανισοτροπίες στην εγγύς περιοχή της τυρβώδους ορθογωνικής δέσμης ερευνώνται και συζητούνται λεπτομερώς. Για την ερευνά της δομικής εξέλιξης της τυρβώδης ορθγωνικής δέσμης στην εγγύς περιοχή χρησιμοποιήθηκε επίσης και η μέθοδος PIV. Οι μετρήσεις με την μέθοδο PIV προσφέρουν το πλεονέκτημα της απεικόνισης της ροής μαζί με τη δυνατότητα καλύτερης κατανόησης των φαινόμενων της ροής, και ειδικότερα, πώς η δημιουργία, η αλληλεπίδραση και η συγχώνευση των στροβίλων συμβάλλουν στην ανάπτυξη της ορθογωνικής δέσμης. Τα αποτελέσματα των κατανομών φασμάτων ισχύος δείχνουν ότι μετά το τέλος του πυρήνα δυναμικού η ενισχυμένη συχνότητα αντιστοιχεί σε αριθμό Strouhal St=f•yc/U0≈0,11. Οι κατανομές της πυκνότητας ελικότητας στις περιοχές των διατμητικών στρωμάτων για x/D=3, 6, 11 δείχνουν μια τάση των ολικών διανυσμάτων της ταχύτητας και στροβιλότητας να ευθυγραμμιστούν. Από την άλλη, στις περιοχές των διατμητικών στρωμάτων για x/D=1 όπου το ολικό διάνυσμα της ταχύτητας είναι περίπου κάθετο προς την μέση ροή οι κατανομές παρουσιάζουν αντίθετη μορφή, όπως θα αναμενόταν. Η συλλογή πληροφοριών στην παρούσα έρευνα και η σύγκριση με τα ήδη υπάρχοντα στην βιβλιογραφία πειραματικά αποτελέσματα για τις τυρβώδες δέσμες αναμένεται να διευρύνουν περαιτέρω τη γνώση σχετικά με τη δομή των ελεύθερων διατμητικών ροών. In the present work the three-dimensional velocity and vorticity vector fields in the near field of the rectangular turbulent jet with aspect ratio 6 have been experimentally investigated. Turbulent rectangular jets are prototypical free shear flows of practical interest in propulsion, combustion and environmental flows. The presented data, consisting of distributions of mean and statistical characteristics of the components of the two fields at several locations within the jet’s near field region, were obtained by using an in-house constructed 12-sensor hot wire probe consisting of three closely separated orthogonal 4-hot wire velocity arrays. The probe measures the three components of velocity simultaneously at three closely spaced locations. Spatial velocity derivatives are estimated using a forward difference scheme of first order accuracy. Streamwise velocity derivatives are estimated using Taylor’s frozen turbulence hypothesis. The 12-sensor construction and measurement technique relies upon previous work of Lemonis & Dracos (1995) and Lemonis (1995) and has been further improved and refined at the Laboratory of Applied Thermodynamics of the University of Patras. Measurements have been conducted in a jet with Reynolds number ReD = 21000 at nozzle distances, x/D =1, 3, 6 and 11, where D is the width of the nozzle. The performance of the 12-sensor probe is investigated in comparison with X-sensor probe measurements. Results referring to measurements of velocity with both sensors are in good agreement, except in locations where the steep velocity gradients and the three dimensionality of the velocity field undermine X-wire probe measurements. The statistical properties of the velocity-vorticity fields based on measurements with the 12-sensor probe are presented in comparison with several experimental and direct numerical simulation data of other researchers. Distributions of fluctuating velocity –vorticity fields show that in the potential core region the values are low on the centerline of the jet and quite high in the shear layers. Downstream the velocity-vorticity fluctuations spread from the shear layer towards the centre and the edge of the jet leading to merging of the two mixing layers. The results also confirm the high levels of dissipation rate in the shear layers. The turbulent energy balance shows important differences to that in plane jets. The budget of the transport equation for fluctuating enstrophy at x/D=11 indicates that the rotation and stretching by the fluctuating strain rate is balanced by the viscous dissipation of vorticity. The anisotropies in the near field of the turbulent rectangular jet are illustrated and discussed in detail. The structure development of a rectangular turbulent jet in the near field region has been also investigated experimentally using PIV. The results obtained with PIV measurements offer the advantages of flow visualization along with the possibility of better understanding the flow phenomena, in particular, how the formation, interaction and merging of vortices contribute to the development of the rectangular jet. The results of spectra distributions indicate that the most amplified frequency after the end of the potential core give rise to a Strouhal Number St=f•yc/U0≈0,11. In the regions of turbulent shear layers at x/D=3, 6, 11 the pdf’s of the relative helicity density h have shapes showing a preferred tendency for the total velocity and vorticity vectors to be aligned. On the other hand, in the regions of turbulent shear layers at x/D=1 where the total vorticity vector is more nearly orthogonal to the mean flow, the pdf’s show the opposite shape, as would be expected. Comparison and integration of the obtained information with the existing body of experimental evidence on turbulent rectangular jets is expected to enhance knowledge on the turbulence structure in free shear flows.