Έλεγχος ροής μέσω παλλόμενων δεσμών αέρα σε απότομη διεύρυνση με χρήση των τεχνικών PIV και ανεμομετρίας θερμού νήματος

Abstract

Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας έγινε προσπάθεια ελέγχου της ροής, η οποία διέρχεται με ταχύτητα πάνω από ένα μοντέλο απότομης διεύρυνσης. Για γρηγορότερη επανακόλληση της ροής χρησιμοποιήθηκαν παλλόμενες δέσμες αέρα (jets), κάτι που μελετήθηκε σε προηγούμενη διπλωματική εργασία όπου διαπιστώθηκε σημαντική μείωση του μήκους ανακυκλοφορίας. Αυτό έγινε δυνατό με μια σειρά από οπές που βρίσκονταν στο μοντέλο ελάχιστα πιο κάτω από την πάνω ακμή της διεύρυνσης (6mm). Ο αέρας των δεσμών προέρχεται από έναν εμβολοφόρο συμπιεστή, ο οποίος παράγει τις δέσμες με συχνότητα 33Hz. Για να μπορούμε να παίρνουμε τις μετρήσεις σε φάση χρησιμοποιήθηκε μονάδα σκανδαλισμού (trigger). Το πείραμα αποτελείται από δυο μέρη: Το πρώτο αφορά την παρατήρηση της ροής με θερμό νήμα (hot wire) και το δεύτερο με την τεχνική PIV (Particle Image Velocimetry). Με την τεχνική του θερμού νήματος μετρείται στιγμιαία, σε ένα μόνο σημείο κάθε φορά, η τοπική ταχύτητα με μεγάλη ακρίβεια. Ελήφθησαν έτσι μετρήσεις κατά μήκος της απότομης διεύρυνσης (κατεύθυνση z) καθώς και σε τρία επίπεδα κάθετα στο ελεύθερο ρεύμα, κατάντι της διεύρυνσης. Οι μετρήσεις έγιναν μεταξύ δυο οπών, απόστασης 21 mm, καλύπτοντας κατά την εγκάρσια κατεύθυνση z συνολικά μήκος 30mm. Τα αποτελέσματα συνοψίζονται στις μέσες καμπύλες και στα προφίλ ταχυτήτων καθώς και σε φάσματα συχνοτήτων που εξήχθησαν μέσω ανάλυσης Fourier. Στο δεύτερο μέρος χρησιμοποιήθηκε η τεχνική PIV. Ως μέσο οπτικοποίησης χρησιμοποιήθηκε μια συσκευή καπνού, παραγωγής σταγονιδίων λαδιού διαστάσεων της τάξης του ενός μικρού. Καταγράφηκε το πεδίο ταχυτήτων της ροής σε διάφορες τομές παράλληλες προς την κύρια κατεύθυνση της ροής για περιοχή διερεύνησης διαστάσεων 60mm x 60mm. Χρησιμοποιώντας ομοίως την τεχνική σκανδαλισμού έγινε υπολογισμός των μέσων χρονικά ταχυτήτων με βάση 100 ζεύγη εικόνων. Διαπιστώθηκε οτι η χρήση δεσμών αέρα προκαλεί την εμφάνιση μιας δίνης λίγο κατάντι από το άκρο της διεύρυνσης και καμπύλωση του ελεύθερου ρεύματος με κατεύθυνση προς το στερεό τοίχωμα.

In the context of the present diploma thesis, an effort was made to reveal details about the flow over a backward – facing step with the presence of jets issuing parallel to the free stream. In order to reduce the length of the recirculation flow region, a number of pulsated air jets (33Hz) were used, issuing 6mm below the edge of the step which was 41 mm high. Being a continuation of a previous diploma thesis, in which it was shown experimentally that the separation region length is reduced about 30% due to the jets, this work focused in an area close to the step, employing both hot wire anemometry and PIV, in order to understand the mechanism of this flow control technique. Ensemble averaging was performed using a proximity sensor as triggering mechanism. Hot wire was used to measure the velocity field between two adjacent jets. It was found that in a distance of about a step height downstream of the step, the periodicity of the issued flow is obscured due to mixing (using Fourier analysis) and areas of low velocity are energized by the jets. On the other hand, PIV revealed the appearance of vortical structures when the jets operate resulting in a curvature of the shear layer streamlines towards the wall, thus reducing the flow separation region.