Experimental and numerical investigation of gas jets in turbulent environments

Abstract

Opposed jet flows is a special category of shear flows with applications ranging from natural phenomena to mechanical systems and chemical industries. Several studies have been published which investigate the fluid dynamics of such applications. Τhese studies consider the surroundings of the opposed jets as a quiescent environment. However, in practical applications the surrounding environment is often characterised by significant mean flow and turbulent fluctuations that interact with the opposed jets and affect their development. To understand the effect of the surrounding environment in the development of the opposed jets, it is essential to separate the effect of the mean flow to that of turbulence. This thesis undertakes the task of investigating the effects of background turbulence on the evolution of an opposed jets flow. As a foundation for the influence of background turbulence on opposed jet development, the effect of background turbulence on the development of simple axisymmetric jets is examined first. The background turbulence was approximately homogeneous and isotropic turbulence (HIT) with fluctuating velocities greater than the background mean flow in a domain of about 200mm x 200mm. For this purpose, a box of turbulence facility utilizing eight synthetic jets was employed. Velocity measurements for the characterization of the background flow, and the single and opposed jets were conducted by means of Particle Image Velocimetry (PIV).Single jets, were investigated for Reynolds numbers in the range of 1000 and 10000 and for an extend of up to 16 jet nozzle diameters. Background turbulence was found to have an additive effect in the turbulence intensity of the jet and also increased the spreading rate and mass flow entrainment. Moreover, the anticipated self-similar behavior changed significantly. Opposed turbulent jets were investigated for Reynolds numbers in the region of 5000 to 10000 at two nozzle separation distances of 5 and 7.5 nozzle diameters. The background turbulence had a more significant impact on the lower Reynolds number cases, which was mitigated as the jets Reynolds number approached the upper limit. The velocity decay constants around the stagnation plane decreased in the presence of HIT, while the turbulence intensity was amplified along the centerline. The formation of radial free jets was verified in the case of a quiescent environment. These radial jets exhibited larger spreading rates and absence of self-similarity in the presence of background turbulence.

Οι ροές αντικρουόμενων δεσμών είναι μια ειδική κατηγορία με εφαρμογές που εκτείνονται από φυσικά φαινόμενα μέχρι μηχανικά συστήματα και χημικές βιομηχανίες. Αρκετές μελέτες έχουν δημοσιευτεί οι οποίες διερευνούν τη δυναμική ρευστών τέτοιων εφαρμογών. Οι μελέτες αυτές θεωρούν το περιβάλλον των αντικρουόμενων δεσμών ως ήρεμο. Εντούτοις, σε πρακτικές εφαρμογές το περιβάλλον χαρακτηρίζεται συχνά από σημαντική μέση ροή και τυρβώδεις διακυμάνσεις που αλληλεπιδρούν με τις αντικρουόμενες δέσμες και επηρεάζουν την ανάπτυξή τους. Για να κατανοηθεί η επίδραση του περιβάλλοντος στην ανάπτυξη των αντικρουόμενων δεσμών, είναι απαραίτητο να διαχωριστεί η επίδραση της μέσης ροής από αυτή της τύρβης. Η παρούσα διατριβή επιφορτίζεται με το έργο να διερευνήσει την επίδραση της τύρβης του περιβάλλοντος στην εξέλιξη μιας ροής αντικρουόμενων δεσμών. Ως βάση για την επίδραση της περιβαλλοντικής τύρβης στην ανάπτυξη αντικρουόμενων δεσμών, εξετάζεται αρχικά η επίδραση περιβαλλοντικής τύρβης στην ανάπτυξη μιας μονής αξονοσυμμετρικής δέσμης. Η περιβαλλοντική τύρβη ήταν κατά προσέγγιση ομογενής και ισότροπη με διακυμάνσεις της ταχύτητας μεγαλύτερες από τη μέση ροή σε μια περιοχή περίπου 200mm x 200mm. Μια διάταξη κυβικού θαλάμου τύρβης χρησιμοποιώντας οκτώ συνθετικές δέσμες χρησιμοποιήθηκε προς αυτό το σκοπό. Μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με χρήση Particle Image Velocimetry (PIV) για το χαρακτηρισμό της περιβαλλοντικής τύρβης, της μονής αξονοσυμμετρικής δέσμης και των αντικρουόμενων δεσμών.Οι μονές δέσμες διερευνήθηκαν για αριθμούς Reynolds στο εύρος 1000 έως 10000 και για απόσταση μέχρι 16 διαμέτρους ακροφυσίου. Η περιβαλλοντική τύρβη βρέθηκε να έχει ενισχυτική επίδραση στην ένταση της τύρβης της δέσμης και αύξησε επίσης το ρυθμό εξάπλωσης και πρόσληψης μάζας. Επιπρόσθετα, η αναμενόμενη ασυμπτωτική συμπεριφορά μεταβλήθηκε σημαντικά. Τυρβώδεις αντικρουόμενες δέσμες διερευνήθηκαν για αριθμούς Reynolds στην περιοχή 5000 έως 10000 για δύο διαφορετικές αποστάσεις 5 και 7.5 διαμέτρων ακροφυσίου. Η περιβαλλοντική τύρβη είχε πιο σημαντική επίδραση στις περιπτώσεις χαμηλότερων αριθμών Reynolds, η οποία υποχωρούσε όσο ο αριθμός Reynolds των δεσμών προσέγγιζε το ανώτερο όριο. Οι σταθερές μείωσης της ταχύτητας γύρω από το επίπεδο ανακοπής μειώθηκαν υπό την παρουσία της ομογενούς και ισότροπης τύρβης, ενώ η ένταση της τύρβης ενισχύθηκε κατά μήκος της αξονικής γραμμής. Η δημιουργία ελεύθερων ακτινικών δεσμών επιβεβαιώθηκε στην περίπτωση ήρεμου περιβάλλοντος. Οι ακτινικές δέσμες αυτές παρουσίασαν μεγαλύτερους ρυθμούς εξάπλωσης και απουσία ασυμπτωτικής συμπεριφοράς υπό την παρουσία περιβαλλοντικής τύρβης.