Πειραματική διερεύνηση της επίδρασης της συχνότητας παλλόμενων δεσμών αέρα στον έλεγχο της ροής απότομης διεύρυνσης

Abstract

Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε πειραματικά η επίδραση της συχνότητας παλλόμενων δεσμών αέρα στον έλεγχο της ροής απότομης διεύρυνσης. Ο αριθμός Reynolds της ροής ήταν Re = 8000, ενώ οι παλλόμενες δέσμες αέρα εισήχθησαν στη ροή από μια σχισμή, η οποία περιείχε 20 οπές, πολύ κοντά στην άνω ακμή της απότομης διεύρυνσης. Για τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε η τεχνική PIV δύο διαστάσεων (2D-Particle Image Velocimetry) με σύστημα σκανδαλισμού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στη ροή σχηματίζονται δύο περιοχές ανακυκλοφορίας, μια κύρια ανθωρολογιακής φοράς (port όπως την αντιλαμβάνεται ένας παρατηρητής που κινείται μαζί με το ελεύ- θερο ρεύμα), η οποία εκτείνεται από την περιοχή απότομης διεύρυνσης μέχρι την περιοχή επανακόλλησης και μια δευτερεύουσα, η οποία είναι ωρολογιακής φοράς, βρίσκεται στην περιοχή της κάτω ακμής της απότομης διεύρυνσης και είναι πολύ μικρότερη της πρώτης. Το μήκος επανακόλλησης μεταβάλλεται με τη συχνότητα των δεσμών, ενώ υπάρχει μια συχνότητα στην οποία το μήκος γίνεται ελάχιστο. Όταν η ροή διεγείρεται με τη βέλτι- στη συχνότητα, ώστε να ισχύει St = 0.22 για τον αδιάστατο αριθμό Strouhal με βάση το ύψος H της απότομης διεύρυνσης, το μήκος επανακόλλησης μειώνεται κατά 21% περίπου σε σχέση με το μήκος χωρίς έλεγχο. Με την διεξαγωγή συγχρονισμένων μετρήσεων μέσα στην περίοδο της δέσμης, παρατηρήθηκε ότι το μήκος επανακόλλη- σης μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια μιας περιόδου και η όλη διαδικασία είναι ένα ασταθές δυναμικό φαινόμενο. Συγχρονισμένες μετρήσεις κοντά στην απότομη διεύρυνση έδειξαν την ύπαρξη μιας δίνης, η οποία εκλύεται από το ύψος της άνω ακμής της απότομης διεύρυνσης και ταξιδεύει επεκτεινόμενη μέσα στην περίοδο προς το σημείο επανακόλλησης. Η ταχύτητά της Ux βρέθηκε περίπου σταθερή και ίση με 0.33U∞ και η Uy = 0.09U∞.

In the present Diploma Thesis the effect of the frequency of pulsating jets on the recirculation zone of a backward facing step was experimentally investigated. A Re = 8000 was chosen as test case and periodic perturbation was introduced from a slot, containing 20 holes, near the step edge. A two dimensional particle image velocimeter (PIV) with a triggering mechanism was used in the flow-field measurements. The measurements showed that there are two recirculation bubbles in the flow, one major counter-clockwise bubble (port as received by a person travelling with the free stream), which expands from the step area to the recirculation region and a minor port clockwise bubble, which is formed near the bottom area of the step and is considerably smaller than the first one. The reattachment length varies with the perturbation frequency, while there exists an optimum frequency, in which the reattachment length is minimum. When perturbed with this optimum frequency, with which the nondimensional Strouhal number based on the step height H is St = 0.22, the reattachment length is reduced by almost 21% of the uncontrolled case. Performing synchronised measurements inside the jet period, it was observed that the reattachment length varies also in the period itself. The reattachment process is therefore a highly non-stable dynamic phenomenon. Synchronised measurements near the the backward facing step showed that there exists a vortex, which is released from the step edge and travels towards the reattachment region, expanding inside the period. This vortex is travelling with an almost stable velocity component, Ux = 0.33U∞ and a velocity component Uy = 0.09U∞.