Ein turbulenter Freistrahl im Gegenströmung |
Schlüsselwörter:
jet, counterflow, LIF, PIV
Strahl, Gegenströmung, LIF, PIV
Sachgruppe der DNBAbstract
A turbulent jet in counterflow, i.e. a jet issuing into a uniform stream of
opposite direction, produces a rather complex flowfield and was therefore up to
now only scarcely investigated. Nevertheless, some interesting features -- among
which its enhanced dilution -- motivate further studies of this flow
configuration, also in view of possible practical applications. The recent
developments in techniques such as particle image velocimetry (PIV) and
laser-induced fluorescence (LIF), combined with advanced signal analysis methods
(e.g. proper orthogonal decomposition - POD), allow a further advance in the
understanding of this phenomenon. The present work was therefore planned with
the aim of expanding the basis of data and knowledge available on the turbulent
jet in counterflow, thereby providing a deeper insight in some of its aspects.
Velocity and passive scalar concentration measurements of a turbulent jet in
counterflow were carried out in a water channel by means of LDA, LIF, and
PIV. By investigating the flowfield under different boundary and initial
conditions, it was possible to determine their effect on the flow and to define
which conditions should be required in order to obtain a "standard" flow for a
consistent comparison of results. A characterization of the flow was given by
determining the extent of the mixing region, and its scaling with
the jet-to-counterflow velocity ratio. The dilution enhancement produced by the
counterflow is indicated by a faster centerline decay, a faster jet growth, and
a faster decay of the primary instability structures. The last one is due to the
enhanced formation of secondary instability structures and to the appearance of
higher order (azimuthal) instability modes.
It was observed that the flowfield can be divided into two distinct regions: a
near, inner field and an outer, far field. In the near field, which is similar
to that of a free jet, the counterflow can suppress vortex pairing and reduce
the typical frequency of the jet. The far field is characterized by strong and
slow three-dimensional fluctuations showing complex dynamics. Nevertheless, the
time-averaged flowfield can be approximately predicted by a very simple model,
through the superposition of a jet and a uniform stream. It was also shown that
a further dilution enhancement can be obtained through passive flow control by
using non-circular (and especially square) nozzles.
Bei einem turbulenten Freistrahl, der in eine gleichförmige Gegenströmung
eingespeist wird, entsteht ein komplexes Strömungsfeld, das bisher wenig
untersucht wurde. Diese Strömungskonfiguration zeigt jedoch einige
Eigenschaften wie z.B. eine verbesserte Mischungsfähigkeit, die weitere
Untersuchungen motivieren, an möglichen praxisrelevanten Anwendungen
ausgerichtet. Durch die neueste messtechnische Entwicklung von PIV und LIF,
die gut durch höhere Signalverarbeitungsmethoden (z.B. POD) zu ergänzen
sind, lassen sich wahrscheinlich weitere Erkenntnisse über dieses
Strömungsphänomen gewinnen. Diese Untersuchung wurde deshalb mit dem Ziel
geplant, die vorhandenen experimentellen und theoretischen Erkenntnisse über
den turbulenten Freistrahl im Gegenstrom zu erweitern.
Sichtbarmachungen sowie Geschwindigkeits- und Konzentrationsmessungen eines
turbulenten Strahles im Gegenstrom wurden in einem Wasserkanal durch LDA, LIF,
und PIV durchgeführt. Durch die Untersuchung der Wirkung verschiedener
Anfangs- und Randbedingungen auf die Strömung wurde es möglich, Grundlagen
zu schaffen, die einen Vergleich verschiedener Ergebnissen erlauben. Die
Bestimmung der Grenzen des Mischungsbereiches zeigte eine vom
Geschwindigkeitsverhältnis zwischen Strahl und Gegenströmung alpha
abhängige Skalierung. Die Erhöhung der Mischungswirksamkeit durch die
Gegenströmung wird von einer steileren Geschwindigkeits- und
Konzentrationsabnahme entlang der Strahlachse, sowie einer erhöhten
Ausbreitungsrate gekennzeichnet. Der dabei auftretende schnellere Zerfall der
Primärstrukturen wird durch die Verstärkung von Längsstrukturen und
durch das Auftreten höherer Instabilitätsmoden herbeigeführt.
Die vorliegenden Beobachtungen legen die Aufteilung des Strömungsfeldes in
ein Nah- und ein Fernfeld nahe. Im strahlähnlichem Nahfeld
unterdrückt die Gegenströmung die Wirbelpaarung und verringert die
typische Frequenz des Strahles. Auch wenn im Fernfeld starke unregelmässige
und niederfrequente dreidimensionale Fluktuationen entstehen, kann das
zeitgemittelte Strömungsfeld durch eine einfache überlagerung eines
Strahles und einer gleichförmigen Strömung annähernd modelliert werden.
Eine weitere Mischungserhöhung kann durch passive Kontrolle mit nicht-runden
Düsen erreicht werden.
Betreuer | Fernholz, H.-H.; Prof. Dr.-Ing. |
Gutachter | Yoda, M.; Prof. Dr. |
Gutachter | Fernholz, H.-H.; Prof. Dr.-Ing. |
Upload: | 2001-01-09 |
URL of Theses: | http://edocs.tu-berlin.de/diss/2000/bernero_stefano.pdf |