Διερεύνηση Τυρβώδους Ορθογωνικής Δέσμης Εκροής

Abstract

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται πειραµατικά αποτελέσµατα των τρισδιάστατων διανυσµάτων των τυρβωδών πεδίων ταχύτητας και στροβιλότητας στην εγγύς περιοχή της τυρβώδους ορθογωνικής δέσµης µε λόγο σύγκλισης 6. Οι τυρβώδεις ορθογωνικές ελεύθερες δέσµες έχουν πρακτικό ενδιαφέρον για την καύση, την πρόωση και περιβαλλοντικές ροές. Για την µέτρηση των µέσων και στατιστικών χαρακτηριστικών των συνιστωσών των πεδίων σε διαφορετικές θέσεις στην εγγύς περιοχή της δέσµης χρησιµοποιήθηκε κεφαλή αισθητήρων θερµού νήµατος αποτελούµενη από τρεις κεφαλές 4-αισθητήρων. Η κεφαλή αισθητήρων µετράει ταυτόχρονα τις τρεις συνιστώσες της ταχύτητας σε τρεις διαφορετικές θέσεις και επιτρέπει τον υπολογισµό των χωρικών παραγώγων του ανύσµατος ταχύτητας µε την µέθοδο των πεπερασµένων διαφορών µε ακρίβεια πρώτης τάξεως. Η κατασκευή της κεφαλής 12-αισθητήρων και η τεχνική µέτρηση βασίζεται στην εργασία των Lemonis & Drakos (1995) και Lemonis (1995) και έχει περαιτέρω βελτιωθεί στο Εργαστήριο Τεχνικής Θερµοδυναµικής του Πανεπιστηµίου Πατρών. Οι µετρήσεις διεξήχθησαν σε αριθµό Reynolds, ReD = 21000 σε αποστάσεις κατά ήκος της ροής ίσες προς x/D =1, 3, 6 και 11, όπου D είναι το πλάτος του ακροφυσίου. Η αξιοπιστία της κεφαλής 12-αισθητήρων εκτιµήθηκε σε σύγκριση µε τα αποτελέσµατα της κεφαλής αισθητήρων X. Τα αποτελέσµατα από τις µετρήσεις του πεδίου ταχύτητας και µε τις κεφαλές είναι σε καλή συµφωνία, εκτός από τις θέσεις όπου οι µεγάλες χωρικές κλίσεις ταχύτητας και η τρισδιαστατότητα του πεδίου ταχύτητας υπονοµεύουν τις µετρήσεις µε κεφαλή αισθητήρων Χ. Οι στατιστικές ιδιότητες των πεδίων της ταχύτητας και στροβιλότητας που υπολογίστηκαν από τις µετρήσεις µε την κεφαλή 12-αισθητήρων εκτιµιούνται σε σύγκριση πειραµατικά και υπολογιστικά αποτελέσµατα άλλων ερευνητών. Οι κατανοµές των αινόµενων πεδίων της ταχύτητας και στροβιλότητας δείχνουν ότι στην περιοχή του πυρήνα δυναµικού οι τιµές είναι αρκετά χαµηλές στον κεντρικό άξονα της δέσµης και αρκετά υψηλές στα διατµητικά στρώµατα. Κατάντι της ροής οι διακυµάνσεις της ταχύτητας και στροβιλότητας µεταφέρονται από τα διατµητικά στρώµατα προς το κέντρο και τις άκρες της δέσµης και οδηγούν στη συγχώνευση των διατµητικών στρωµάτων. Τα αποτελέσµατα επιβεβαιώνουν επίσης τα υψηλά επίπεδα του ρυθµού εκφυλισµού (dissipation rate) στα διατµητικά στρώµατα. Το ισοζύγιο της τυρβώδους ενέργειας παρουσιάζει σηµαντικές VI διαφορές µε το αντίστοιχο της επίπεδης δέσµης. Η σύγκριση των όρων της εξίσωσης της µέσης τετραγωνικής διακύµανσης της στροβιλότητας στη θέση x/D=11 δείχνει ότι η περιστροφή και η διάταση λόγω των διακυµάνσεων του ρυθµού παραµόρφωσης (strain rate) εξισορροπείται από τον ιξώδη εκφυλισµό της στροβιλότητας. Οι ανισοτροπίες στην εγγύς περιοχή της τυρβώδους ορθογωνικής δέσµης ερευνώνται και συζητούνται λεπτοµερώς. Για την ερευνά της δοµικής εξέλιξης της τυρβώδης ορθγωνικής δέσµης στην εγγύς περιοχή χρησιµοποιήθηκε επίσης και η µέθοδος PIV.