Διερεύνηση ομοαξονικών ροών με περιδίνηση

Abstract

This thesis presents an experimental study on the interaction of a swirling jet with an annular swirling stream, issuing from coaxial tubes. The purpose of the thesis is to contribute to the investigation and understanding of the swirling flows close to the conditions of generation and decomposition of vortices following the long term study on the subject, carried out by the laboratory of Technical Thermodynamics of the University of Patras.A characteristic phenomenon developing in these types of flows is the Vortex Breakdown. The name is due to that the structure of the longitudinal swirling vortex, develops a stagnation point on the axis followed by a recirculating flow region. The fact that swirling flows are very common in nature, and they are also widely used for technological purposes since they improve mixing, enhance diffusion, and contribute to flow stabilization, provides the motivation for this study.In the experimental device used, swirl could be applied to both streams (internal and annular), while its visual accessibility allowed the use of the experimental technique Stereo PIV. In the first set of experiments, in which swirl is imposed only on the internal flow and the annular steam remains stationary, the results show that a recirculation bubble, stabilized after the exit of the internal swirl nozzle, is the predominant coherent structure formed due to the expansion of the swirling jet. In the second set of experiments, where input conditions include several flowrates and several rotations of the internal and annular flow, four separate types of flow appear, which are characterized as "downstream core flow" (DCF), "closed bubble" (CB), "asymmetric recirculation" (AR) and "intense recirculation"(IR).From the review of the literature, it is understood that great emphasis is placed on the dimensionless numbers used by researchers to draw their experimental conclusions. The need to define a new Swirl number to help describe the trends in the flow field is highlighted, as itxiiturns out that the Rossby number (for this job an appropriate modified form is introduced) alone is not enough to describe unambiguously the emerging trends and identify the flow types. A flow type map is created, in which all the experimental results are included and classified into categories. Analysis of measurement uncertainties is presented for the two experimental sets.

Σε αυτήν την διδακτορική εργασία, παρουσιάζεται η πειραματική μελέτη της αλληλεπίδρασης μιας περιδινούμενης δέσμης εκροής με μια περιδινούμενη δακτυλιοειδή ροή, που εκρέουν από ομοαξονικούς σωλήνες. Σκοπός της διατριβής είναι να συμβάλλει στη διερεύνηση και κατανόηση των περιδινούμενων ροών κοντά σε συνθήκες δημιουργίας και αποδόμησης στροβίλων και να αποτελέσει μια συνέχεια της μελέτης πάνω στο θέμα, που πραγματοποιείται για μεγάλο χρονικό διάστημα από το εργαστήριο Τεχνικής Θερμοδυναμικής του Πανεπιστημίου Πατρών.Ένα χαρακτηριστικό φαινόμενο εμφανίζεται σε ροές αυτού του τύπου είναι η αποδόμηση αξονικού μακροστροβίλου (Vortex Breakdown). Η ονομασία οφείλεται στο ότι δομή του αξονικού στροβίλου περιδίνησης, αναπτύσσει ένα σημείο ανακοπής επάνω στον άξονα που ακολουθείται κατάντι από μια περιοχή ροής ανακυκλοφορίας με πεπερασμένο μήκος. Το γεγονός ότι οι περιδινούμενες απαντώνται πολύ συχνά στη φύση και χρησιμοποιούνται ευρέως για τεχνολογικούς σκοπούς επειδή βελτιώνουν την ανάμιξη, ενισχύουν τη διάχυση, και συμβάλουν στη σταθεροποίηση της ροής, αποτελεί το κίνητρο αυτής της μελέτης.Στη πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε μπορούσε να εφαρμοστεί περιδίνηση και στα δυο ρεύματα (εσωτερικό και δακτυλιοειδές), ενώ η οπτική της προσπελασιμότητα έδινε την δυνατότητα χρήσης της πειραματικής τεχνικής Stereo PIV. Στο πρώτο σετ πειραμάτων, όπου εφαρμόζεται περιδίνηση μόνο στην εσωτερική ροή και η δακτυλιοειδής ροή παραμένει ακίνητη, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι μία φυσαλίδα ανακυκλοφορίας, σταθεροποιημένη μετά την έξοδο του εσωτερικού ακροφυσίου περιδίνησης, είναι η κυρίαρχη συνεκτική δομή που σχηματίζεται λόγω της διαστολής της περιδινούμενης δέσμης εκροής. Στο δεύτερο σετ πειραμάτων, όπου οι συνθήκες εισόδου περιλαμβάνουν αρκετές παροχές και αρκετές περιστροφές της εσωτερικής και δακτυλιοειδούς ροής, εμφανίζονται τέσσερις ξεχωριστοί τύποιxροής που χαρακτηρίζονται ως "πρόσω ροή πυρήνα" (downstream core flow) (DCF), "κλειστής φυσαλίδας" (closed bubble) (CB), "ασύμμετρης ανακυκλοφορίας" (asymmetric recirculation) (AR) και "έντονης ανακυκλοφορίας" (intense recirculation) (IR).Από την ανασκόπηση της βιβλιογραφίας, γίνεται αντιληπτό ότι μεγάλη έμφαση δίνεται στους αδιάστατους αριθμούς που χρησιμοποιούνται από τους ερευνητές για την εξαγωγή των πειραματικών τους συμπερασμάτων. Αναδεικνύεται η ανάγκη ορισμού ενός νέου αριθμού περιδίνησης (Swirl number) για να συμβάλει στην περιγραφή των τάσεων που δημιουργούνται στο ροϊκό πεδίο, αφού αποδεικνύεται ότι ο αριθμός Rossby (για αυτή την εργασία εισάγεται κατάλληλη τροποποιημένη μορφή του) από μόνος του δεν είναι επαρκής για να περιγράψει μονοσήμαντα τις αναπτυσσόμενες τάσεις και να προσδιορίσει του τύπους ροής. Ένας χάρτης τύπων ροής δημιουργείται, μέσα στον οποίο εντάσσονται όλα τα πειραματικά αποτελέσματα και ταξινομούνται σε κατηγορίες. Ανάλυση αβεβαιοτήτων των μετρήσεων παρουσιάζεται για τα δύο σετ πειραμάτων.