Tecniche 2D e 3D per l'identificazione del precessing vortex core

The aim of this thesis is to detect and characterize the vortical structures of a confined swirling jet in isothermal conditions. Since the available phase averages are obtained from Stereo PIV measurements of the flow field, it was possible to apply the identification criteria both to the complete motion field and to the velocity components which belongs to the measuring plane only. In the first part of this thesis an overview of the main characteristics of swirling jets is presented. The local identification criteria based on the analysis of the velocity gradient tensor were implemented after a theoretical study on the definition of vortex. Before proceeding with their application on the available data, the code was validated, applying it to a field which is an exact solution of the Navier-Stokes equations. A comparison is then presented between different reconstructions of PVC obtained with the various criteria. The similarities between the swirling structures obtained from the application of the code to two and three speed components are also discussed critically. Because in literature there is no clear indication whether the application of the vortex identification criteria to the velocity field is better than the application of the same to the fluctuations field, this latter possibility is deepened together with the differences between the two different reconstructions. Finally, the identification criteria are applied to the average motion field. The attempt is to obtain indications of the physical phenomenon of PVC starting only from the average speed maps.

La tesi verte ad individuare e caratterizzare le strutture vorticose proprie di un getto isotermo confinato dotato di moto di swirl. Dal momento che le medie in fase a disposizione sono state ottenute a partire da misure del campo di moto tramite la tecnica ottica Stereo PIV, è stato possibile applicare i criteri di identificazione al campo di moto completo e alle sole componenti di velocità appartenenti al piano di misura. Nella prima parte del lavoro viene presentata una panoramica sulle principali caratteristiche dei getti dotati di moto rotatorio. Successivamente, dopo una descrizione teorica dello stato dell'arte in merito alla definizione di vortice, sono stati implementati i criteri di identificazione locali basati sull'analisi del tensore gradiente di velocità. Prima di procedere con la loro applicazione sui dati disponibili, il codice è stato validato, applicandolo a un campo di moto che soddisfi in modo esatto le equazioni di Navier-Stokes. Viene quindi presentato un confronto tra le diverse ricostruzioni del PVC ottenute con i vari criteri e discusse criticamente le similitudini tra le strutture vorticose ricavate dall'applicazione degli stessi a due e a tre componenti di velocità. Dal momento che in letteratura non è presente una chiara indicazione se l'applicazione dei criteri di identificazione dei vortici al campo di velocità sia migliore rispetto all'applicazione degli stessi sul campo delle fluttuazioni, all'interno dell'elaborato viene dato spazio a questa seconda possibilità e studiate le differenze tra le due diverse ricostruzioni.