Στατιστική ανάλυση ροής τυρβώδους φύλλου διάτμησης στην περιοχή της αποκόλλησης και επανακόλλησης υπό συνθήκες διέγερσης

Abstract

Στην παρούσα Διπλωματική εργασία διερευνάται πειραματικά η στατιστική της τύρβης μίας περιοδικά διεγειρόμενης ροής και η επίδραση της τελευταίας στο μήκος της περιοχής ανακυκλοφορίας. Η γεωμετρία που επιλέγεται είναι η απότομη διεύρυνση ύψους 41mm (και μήκους 420mm) που σχηματίζεται από κατάλληλο δοκίμιο τοποθετούμενο σε υποηχητική αεροδυναμική σήραγγα ανοικτού κυκλώματος. Η διέγερση εισάγεται στο σύστημα υπό τη μορφή χρονικά μεταβαλλόμενων δεσμών αέρα μη μηδενικής μέσης τιμής, οι οποίες εξέρχονται από μία σειρά 20 οπών κοντά και παράλληλα στην άνω ακμή του δοκιμίου της απότομης διεύρυνσης. Η πάλμωσή τους πραγματοποιείται με χρήση ηλεκτροβάνας, η οποία ανοιγοκλείνει με επιθυμητή συχνότητα και διάρκεια που ρυθμίζεται μέσω ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή. Ο αριθμός Reynolds με βάση το ύψος του μοντέλου και την ανάντι μέση χωρικά ταχύτητα, (u_c ) ̅=2,5m/s, υπολογίζεται ίσος με Re=6570 (για θερμοκρασία αέρα 25^ο C) και το μέγιστο πλάτος της ταχύτητας των δεσμών αέρα ίσο με το 25% της (u_c ) ̅, μετρημένο με θερμό νήμα σταθερής θερμοκρασίας. Η μέτρηση των δύο συνιστωσών του πεδίου των ταχυτήτων στο μεσοεπίπεδο του μοντέλου πραγματοποιείται με χρήση της μη επεμβατικής τεχνικής PIV (2D-Particle Image Velocimetry) σε συχνότητες 2Hz καθώς και 4,8Hz αντίστοιχα, αναλόγως των απαιτήσεων του πειράματος. Επιπλέον, σύστημα σκανδαλισμού δύο υπολογιστών κατέστησε εφικτή την καταγραφή στιγμιοτύπων της ροής σε επιλεγμένες φάσεις της περιόδου της διέγερσης με σκοπό τη στατιστική μελέτη εν φάσει μετρήσεων (συγχρονισμένες μετρήσεις). Αρχικά στην περίπτωση των μη συγχρονισμένων μετρήσεων, όπου εξετάστηκε η επίδραση της συχνότητας και της διάρκειας της διέγερσης, βρέθηκε το μέσο χρονικά μήκος της ανακυκλοφορίας να μεταβάλλεται σημαντικά, ενώ για δύο συχνότητες διέγερσης που αντιστοιχούν στους αδιάστατους αριθμούς Strouhal, St=0,165 και St=0,205, παρατηρήθηκε μείωση ακόμη και της τάξεως του 24% συγκριτικά με εκείνη της μη διεγερμένης ροής. Επίσης, οι αυξημένες τάσεις Reynolds που διαπιστώθηκαν σε όλο το μήκος του πεδίου φανέρωσαν την ενίσχυση της μεταφοράς της ορμής κατά μήκος και εγκάρσια του διατμητικού στρώματος και ιδίως στην περιοχή γύρω από το σημείο της επανακόλλησης. Τέλος, οι συγχρονισμένες μετρήσεις απέδειξαν ότι το μήκος της ανακυκλοφορίας μεταβάλλεται στο διάστημα μίας περιόδου διέγερσης και συνεπώς η όλη διαδικασία αποτελεί ένα πολύ ασταθές δυναμικό φαινόμενο. Παράλληλα, αποκαλύφθηκε και η ύπαρξη της οργανωμένης κίνησης του ρευστού στο αποκολλημένο διατμητικό στρώμα, με δίνες που εκλύονταν από το ύψος των οπών του δοκιμίου και ταξίδευαν κατάντι με ταχύτητα ίση με το 33% της ¯(u_c ). Κατά τον τρόπο αυτό επιχειρήθηκε η συσχέτιση της έγχυσης των συνεκτικών αυτών δομών με την εξωτερική διαταραχή που επιβάλλεται στη ροή.

The present Diploma thesis examines experimentally the statistics of turbulence of a periodically forced flow. The geometry selected is a backward facing step with a step height of 41mm installed in the test section of an open circuit subsonic wind tunnel. The forcing was implemented through 20 pulsating air-jets with a non zero mean, in the vicinity and parallel to the step edge, with a peak velocity of ¼ of the free stream, measured by a hot wire anemometer. The frequency and duration of the jets were adjustable by suitably operating an electric valve. The Reynolds number based on both the step height and the free stream was Re=6570. The two components of the velocity field at the mid plane of the model were measured by a 2D-PIV (Particle Image Velocimetry) with a rate of 2Hz and 4,8Hz, respectively, dependent on the requirements of the experiment. Through a triggering system, ensemble averaging was performed so that the statistics of the flow at 14 time instants within the period of the forcing jets was possible, based on the analysis of 300 snapshots per each phase of the period. Varying the forcing frequency, it was found that the recirculation length could be reduced by an amount of 24% compared to that of the unforced case, for a particular Strouhal number (based on the step height) around 0.2, which coincides with the natural Kelvin–Helmholtz instability of the detached, from the step, shear layer. In phase measurements revealed an oscillation of the point of reattachment along the wall, exhibiting the strong unsteady character of the flow field. Moreover, vortical structures were found to be shed at the jets exits, being convected downstream with a speed of the order of 33% of the free stream velocity. Reynolds stresses were elevated compared to the unforced case, especially around the reattachment point. These stresses as well as the strong vortical structures which transfer energy to the low momentum reversed flow provide an explanation of the reduction of the recirculation region due to forcing.