This thesis provides an experimental investigation of an unconfined and confined isothermal swirling flow in the very near region of the jet, for an experimental laboratory swirl burner. A 3C-2D Stereoscopic PIV (Particle Image Velocimetry) system was used to measure the three- velocity component of the flow field. The measurements were performed in two transverse and longitudinal planes for the unconfined flow and only in a longitudinal section through the combustion chamber for the confined case. Firstly, this work describes the measured time-average flow fields and their associated velocity fluctuations for both the unconfined and confined cases. By this way, the macroscopic behaviour of the flow, for a broad range of swirl intensity, is highlighted and the critical and unstable conditions, as regards the formation of vortex breakdown (VB), recirculation bubble and precessing vortex core (PVC) are identified. The instantaneous velocity field reveals that by increasing the swirl number the jet first passes through different highly unsteady conditions where vortex breakdown appears randomly and intermittently in time, but no reverse flow or stagnation point is revealed by the time mean flow field. When the swirl intensity reaches a critical value, the VB clearly show up in the time-averaged flow field. A smaller geometrical critical swirl number, Sg,critical, was observed in confined flow (Sg,critical = 1.8) with respect to the unconfined ones (Sg,critical = 2.6). For both unconfined and confined cases the velocity profiles show a non-axial-symmetric shape up to the critical swirl number, an almost axial-symmetric flow is obtained once the onset of VB has occurred. A comparison of radial, axial and tangential velocity profiles and its fluctuating components for unconfined and confined swirling jets is given over the longitudinal plane to ascertain the effect of confinement. Velocity maps show the confinement significantly increases the size of the recirculation zone. Regardless of the confinement, the increase in the Reynolds number results in an increase in the size of the recirculation zone. Secondly, acoustic and Laser Doppler Velocimetry (LDV) techniques were employed to investigate the effect of swirl intensity on the formation of the PVC. The frequency characteristics have been measured with a capacitive microphone and LDV which indicates the presence of periodic oscillation related to the existence of PVC. Proper orthogonal decomposition (POD) of the jet velocity field was carried out, enabling the identification of coherent structures. A POD applied to the instantaneous velocity fields allow to identify the dominant flow structure associated to the PVC. The time coefficients of the first two most energetic POD modes were used to reconstruct the phase-averaged velocity field of the oscillatory motion in the swirling flow. The instantaneous minima of negative swirl strength values calculated from the instantaneous velocity field revealed the presence of two helical structures located in the inner and outer shear layers. By phase averaging the instantaneous swirling strength maps, the 3D helical vortex structure was reconstructed. Finally, the last part of the work deals with the study of the entrainment phenomenon in the very near region of the jet. Two Reynolds numbers, i.e. Re = 10900 and Re = 21800, and different swirl intensities have been analysed. The initial region of the swirling jet, i.e. up to about 2.5 times the nozzle diameter in the downstream direction, is investigated. The entrainment rate increases quickly with swirl level up to about the onset of VB, while a small, approximately linear increase in the entrainment rate is observed by further increasing the swirl number. The results obtained are in good agreement with those found in the literature. The findings evidence that the combined application of PIV, POD and frequency analysis using a capacitive microphone can provide detailed observations of coherent fluctuations induced by vortex precession.

Questo lavoro riguarda l’indagine sperimentale del campo di moto di un getto d’aria dotato di moto di swirl in prossimità dalle sezione di efflusso del getto stesso (campo vicino). In particolare lo studio sperimentale è stato condotto su due configurazioni differenti: getto non confinato e getto confinato; per quest’ultimo caso il getto è stato confinato mediante una camera ottagonale in acciaio e dotata di accessi ottici in quarzo. Un sistema PIV (Particle Image Velocimetry) stereoscopico (S-PIV) è stato utilizzato per la misura delle tre componenti di velocità del campo di moto. Nel caso di flusso non confinato, le misure S-PIV sono state effettuate in due piani tra loro perpendicolari (ovvero nel piano longitudinale e in quello trasversale rispetto all’asse del getto). Nel caso di getto confinato le misure S-PIV sono state effettuate nel solo piano longitudinale. Il primo obiettivo di questo lavoro ha riguardato l’analisi dei campi di moto mediati nel tempo e delle fluttuazioni temporali di velocità ad essi associate. In questo modo si è potuto evidenziare il comportamento macroscopico del flusso in un ampio intervallo di intensità dello swirl; inoltre, sono state identificate le condizioni critiche per la formazione del vortex breakdown (VB), delle zone di ricircolazione e per la comparsa dell’instabilità nota come precessing vortex core (PVC). I campi di velocità istantanei hanno mostrato che, all’aumentare del numero di swirl, il getto inizialmente attraversa condizioni fortemente instazionarie, in cui la rottura del vortice (vortex breakdown) si presenta casualmente e in modo intermittente. Al contrario, i campi di velocità mediati nel tempo, non evidenziano all’interno del getto né la presenza di un flusso inverso né quella di punti di ristagno. Successivamente, quando l’intensità dello swirl raggiunge un opportuno valore critico la presenza del vortex breakdown appare chiaramente nel campo di moto mediato nel tempo. Nel caso di flusso confinato, il numero di swirl geometrico critico, Sg,critical, ovvero quello corrispondente alla insorgenza del vortex breakdown, risulta inferiore al corrispettivo valore determinato in condizioni di flusso non confinato (Sg,critical = 1,8 contro Sg,critical = 2,6). In entrambi i casi (i.e. getto confinato e non confinato) e per numeri di swirl inferiori a quello critico, i profili di velocità mostrano una forma non assialsimmetrica. Questi ultimi recuperano una forma praticamente assialsimmetrica una volta instaurato il VB, ovvero per numeri di swirl superiori al valore critico. Per analizzare l’effetto del confinamento, è stato effettuato un confronto fra i profili di velocità radiali, assiali e tangenziali e le rispettive fluttuazioni, lungo il piano longitudinale del getto. Le mappe di velocità hanno mostrato che il confinamento aumenta significativamente le dimensioni della zona di ricircolo. Indipendentemente dal confinamento, l’aumento del numero di Reynolds comporta un incremento della dimensione della zona di ricircolo. In secondo luogo si è analizzato l’effetto del grado di swirl sulla formazione del PVC utilizzando misure risolte nel tempo di pressione, mediante microfono capacitivo, e di velocità, basate sulla tecnica Laser Doppler Velocimetry (LDV). L’analisi spettrale dei segnali di pressione e di velocità ha permesso di rilevare la presenza di oscillazioni periodiche indotte dalla presenza del PVC. L’utilizzo della tecnica di analisi denominata Proper Orthogonal Decomposition (POD), applicata alle misure S-PIV istantanee, ha evidenziato la presenza di strutture coerenti all’interno del campo di moto. In particolare si è potuto identificare le strutture fluidodinamiche dominanti associate al fenomeno del PVC e del VB. I coefficienti temporali dei primi due modi POD, corrispondenti ai due modi più energetici, sono stati usati per ricostruire il campo di velocità mediato rispetto alla fase del moto oscillatorio indotto dalla presenza del PVC. I minimi locali della funzione “swirl strength”, quest’ultima calcolata sui campi istantanei di velocità misurati con la tecnica S-PIV, hanno rivelato la presenza di due strutture vorticose elicoidali collocate nello “shear layer” interno ed esterno del getto e che si avvolgono lungo l’asse longitudinale di quest’ultimo. La struttura 3D dei due vortici elicoidali è stata ricostruita mediando in fase le mappe istantanee della funzione “swirl strength”. Infine, l'ultima parte del lavoro ha riguardato lo studio del fenomeno dell'entrainment lungo la direzione longitudinale del getto e limitatamente alle regione vicina (ovvero fino a una distanza dall’ugello pari a circa 2,5 volte il diametro dell’ugello stesso). In particolare si sono considerati getti con due differenti valori del numero di Reynolds, rispettivamente Re=10900 e Re=21800, e con diverse intensità del grado di swirl. I risultati hanno evidenziato come l’entrainment del getto aumenti rapidamente con il livello di swirl, almeno fino all’insorgenza della VB; successivamente, aumentando ulteriormente il grado di swirl si osserva un incremento più modesto e circa lineare con il grado di swirl. I risultati ottenuti sono risultati in buon accordo con quelli presenti in letteratura. In conclusione, l’utilizzo combinato di tecniche S-PIV, POD e di analisi in frequenza di segnali di pressione e di velocità permette di ottenere una descrizione dettagliata del comportamento di getti dotati di moto di swirl e affetti da “vortex breakdown” e da precessione del vortice (PVC).

Experimental study of unconfined and confined isothermal swirling jets

SHARMA, ROHIT

Abstract

This thesis provides an experimental investigation of an unconfined and confined isothermal swirling flow in the very near region of the jet, for an experimental laboratory swirl burner. A 3C-2D Stereoscopic PIV (Particle Image Velocimetry) system was used to measure the three- velocity component of the flow field. The measurements were performed in two transverse and longitudinal planes for the unconfined flow and only in a longitudinal section through the combustion chamber for the confined case. Firstly, this work describes the measured time-average flow fields and their associated velocity fluctuations for both the unconfined and confined cases. By this way, the macroscopic behaviour of the flow, for a broad range of swirl intensity, is highlighted and the critical and unstable conditions, as regards the formation of vortex breakdown (VB), recirculation bubble and precessing vortex core (PVC) are identified. The instantaneous velocity field reveals that by increasing the swirl number the jet first passes through different highly unsteady conditions where vortex breakdown appears randomly and intermittently in time, but no reverse flow or stagnation point is revealed by the time mean flow field. When the swirl intensity reaches a critical value, the VB clearly show up in the time-averaged flow field. A smaller geometrical critical swirl number, Sg,critical, was observed in confined flow (Sg,critical = 1.8) with respect to the unconfined ones (Sg,critical = 2.6). For both unconfined and confined cases the velocity profiles show a non-axial-symmetric shape up to the critical swirl number, an almost axial-symmetric flow is obtained once the onset of VB has occurred. A comparison of radial, axial and tangential velocity profiles and its fluctuating components for unconfined and confined swirling jets is given over the longitudinal plane to ascertain the effect of confinement. Velocity maps show the confinement significantly increases the size of the recirculation zone. Regardless of the confinement, the increase in the Reynolds number results in an increase in the size of the recirculation zone. Secondly, acoustic and Laser Doppler Velocimetry (LDV) techniques were employed to investigate the effect of swirl intensity on the formation of the PVC. The frequency characteristics have been measured with a capacitive microphone and LDV which indicates the presence of periodic oscillation related to the existence of PVC. Proper orthogonal decomposition (POD) of the jet velocity field was carried out, enabling the identification of coherent structures. A POD applied to the instantaneous velocity fields allow to identify the dominant flow structure associated to the PVC. The time coefficients of the first two most energetic POD modes were used to reconstruct the phase-averaged velocity field of the oscillatory motion in the swirling flow. The instantaneous minima of negative swirl strength values calculated from the instantaneous velocity field revealed the presence of two helical structures located in the inner and outer shear layers. By phase averaging the instantaneous swirling strength maps, the 3D helical vortex structure was reconstructed. Finally, the last part of the work deals with the study of the entrainment phenomenon in the very near region of the jet. Two Reynolds numbers, i.e. Re = 10900 and Re = 21800, and different swirl intensities have been analysed. The initial region of the swirling jet, i.e. up to about 2.5 times the nozzle diameter in the downstream direction, is investigated. The entrainment rate increases quickly with swirl level up to about the onset of VB, while a small, approximately linear increase in the entrainment rate is observed by further increasing the swirl number. The results obtained are in good agreement with those found in the literature. The findings evidence that the combined application of PIV, POD and frequency analysis using a capacitive microphone can provide detailed observations of coherent fluctuations induced by vortex precession.
BOTTANI, CARLO ENRICO
ONORATI, ANGELO
19-apr-2017
Questo lavoro riguarda l’indagine sperimentale del campo di moto di un getto d’aria dotato di moto di swirl in prossimità dalle sezione di efflusso del getto stesso (campo vicino). In particolare lo studio sperimentale è stato condotto su due configurazioni differenti: getto non confinato e getto confinato; per quest’ultimo caso il getto è stato confinato mediante una camera ottagonale in acciaio e dotata di accessi ottici in quarzo. Un sistema PIV (Particle Image Velocimetry) stereoscopico (S-PIV) è stato utilizzato per la misura delle tre componenti di velocità del campo di moto. Nel caso di flusso non confinato, le misure S-PIV sono state effettuate in due piani tra loro perpendicolari (ovvero nel piano longitudinale e in quello trasversale rispetto all’asse del getto). Nel caso di getto confinato le misure S-PIV sono state effettuate nel solo piano longitudinale. Il primo obiettivo di questo lavoro ha riguardato l’analisi dei campi di moto mediati nel tempo e delle fluttuazioni temporali di velocità ad essi associate. In questo modo si è potuto evidenziare il comportamento macroscopico del flusso in un ampio intervallo di intensità dello swirl; inoltre, sono state identificate le condizioni critiche per la formazione del vortex breakdown (VB), delle zone di ricircolazione e per la comparsa dell’instabilità nota come precessing vortex core (PVC). I campi di velocità istantanei hanno mostrato che, all’aumentare del numero di swirl, il getto inizialmente attraversa condizioni fortemente instazionarie, in cui la rottura del vortice (vortex breakdown) si presenta casualmente e in modo intermittente. Al contrario, i campi di velocità mediati nel tempo, non evidenziano all’interno del getto né la presenza di un flusso inverso né quella di punti di ristagno. Successivamente, quando l’intensità dello swirl raggiunge un opportuno valore critico la presenza del vortex breakdown appare chiaramente nel campo di moto mediato nel tempo. Nel caso di flusso confinato, il numero di swirl geometrico critico, Sg,critical, ovvero quello corrispondente alla insorgenza del vortex breakdown, risulta inferiore al corrispettivo valore determinato in condizioni di flusso non confinato (Sg,critical = 1,8 contro Sg,critical = 2,6). In entrambi i casi (i.e. getto confinato e non confinato) e per numeri di swirl inferiori a quello critico, i profili di velocità mostrano una forma non assialsimmetrica. Questi ultimi recuperano una forma praticamente assialsimmetrica una volta instaurato il VB, ovvero per numeri di swirl superiori al valore critico. Per analizzare l’effetto del confinamento, è stato effettuato un confronto fra i profili di velocità radiali, assiali e tangenziali e le rispettive fluttuazioni, lungo il piano longitudinale del getto. Le mappe di velocità hanno mostrato che il confinamento aumenta significativamente le dimensioni della zona di ricircolo. Indipendentemente dal confinamento, l’aumento del numero di Reynolds comporta un incremento della dimensione della zona di ricircolo. In secondo luogo si è analizzato l’effetto del grado di swirl sulla formazione del PVC utilizzando misure risolte nel tempo di pressione, mediante microfono capacitivo, e di velocità, basate sulla tecnica Laser Doppler Velocimetry (LDV). L’analisi spettrale dei segnali di pressione e di velocità ha permesso di rilevare la presenza di oscillazioni periodiche indotte dalla presenza del PVC. L’utilizzo della tecnica di analisi denominata Proper Orthogonal Decomposition (POD), applicata alle misure S-PIV istantanee, ha evidenziato la presenza di strutture coerenti all’interno del campo di moto. In particolare si è potuto identificare le strutture fluidodinamiche dominanti associate al fenomeno del PVC e del VB. I coefficienti temporali dei primi due modi POD, corrispondenti ai due modi più energetici, sono stati usati per ricostruire il campo di velocità mediato rispetto alla fase del moto oscillatorio indotto dalla presenza del PVC. I minimi locali della funzione “swirl strength”, quest’ultima calcolata sui campi istantanei di velocità misurati con la tecnica S-PIV, hanno rivelato la presenza di due strutture vorticose elicoidali collocate nello “shear layer” interno ed esterno del getto e che si avvolgono lungo l’asse longitudinale di quest’ultimo. La struttura 3D dei due vortici elicoidali è stata ricostruita mediando in fase le mappe istantanee della funzione “swirl strength”. Infine, l'ultima parte del lavoro ha riguardato lo studio del fenomeno dell'entrainment lungo la direzione longitudinale del getto e limitatamente alle regione vicina (ovvero fino a una distanza dall’ugello pari a circa 2,5 volte il diametro dell’ugello stesso). In particolare si sono considerati getti con due differenti valori del numero di Reynolds, rispettivamente Re=10900 e Re=21800, e con diverse intensità del grado di swirl. I risultati hanno evidenziato come l’entrainment del getto aumenti rapidamente con il livello di swirl, almeno fino all’insorgenza della VB; successivamente, aumentando ulteriormente il grado di swirl si osserva un incremento più modesto e circa lineare con il grado di swirl. I risultati ottenuti sono risultati in buon accordo con quelli presenti in letteratura. In conclusione, l’utilizzo combinato di tecniche S-PIV, POD e di analisi in frequenza di segnali di pressione e di velocità permette di ottenere una descrizione dettagliata del comportamento di getti dotati di moto di swirl e affetti da “vortex breakdown” e da precessione del vortice (PVC).
Tesi di dottorato
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