Griglie di forma circolare: misurazioni PIV sull'effetto delle condizioni iniziali.

Grids and meshes are utilized in flows in order to create a pressure drop thereby smoothening and attenuating the velocity profiles and to break up and homogenize the turbulence structure. “Infinitely” extended grids are used to produce the classical grid generated turbulent flows, enabling experimental results to be compared to one dimensional (1-D) models for turbulence development. Finite extension grids have been used for other purposes, for example as actuator discs to experimentally simulate wind turbine wakes. The aim of the present project is to analyze the wake behind two grids of finite extension (porous discs) and to analyze and compare the principal features of the wake (length scales, momentum loss, centre-line velocity). The grids have the same size and shape, and are made up of the same wooden elements. The only difference is related to mesh geometry: one disc is monoplanar and one is biplanar. Former wind tunnel measurements by means of a Pitot Tube had shown that the monoplanar grid induced a circular axisymmetric wake, while the biplanar grid created a non-axisymmetric wake with a double emisphere shape. Many literature reviews are available for axisymmetric far and near wakes; not the case for the non axisymmetric one. The tools used in this work are flow visualization through smoke streaks and wind tunnel PIV measurements on two discs model, one with monoplanar and one wiht biplanar mesh, both with 80mm diameter. The smoke visualizations were used to have a qualitative insight into the near wake creation process. The PIV tool was used to get quantitative data on istantaneous and mean velocity field of the near-far wake transition region. Data were elaborated to yield the characterization parameters (see above) necessary to compare our results with literature references. Our measurements were carried out at a single Reynolds number (ReD = 800000) and down to 8 disc diameters downstream. Flow visualizations confirm the axisymmetry of the monoplanar grid wake, and the dishomogeneity of the biplanar one. The horizontal plane wake of the biplanar mesh develops faster than the vertical one, and at 8D downstream is twice as wide. The visualizations relates unequivocally the reasons of the dishomogeneity to the biplanar character of the mesh: rotating the disc of 90 , the wake rotates in consequence. From mean velocity measurements through PIV, we can say that the monoplanar transverse length scale increases at a rate of x1=3, in good agreement with theory and references. The nondimensional velocity profiles show that at 2D downstream the monoplanar velocity profiles have become self similar. The vertical biplanar disc wake becomes self similar after 3D; at 8D the horizontal one is still not fully developed instead. The centre-line velocity deficit for the monoplanar disc decreases as x􀀀2=3, again in good agreement with theoretical results. For the biplanar disc, the results seem to confirm a decrease rate of x􀀀1. This work has provided the comparative analysis of an axisymmetric wake and a non axisymmetric one with similar geometrical parameters. The visualization have given some insight into the reason of this inequality. The PIV measurements helped to quantify the wake asymmetry, though more experimental work is needed to get a proper insight into the physical motivations of the dishomogeneity. A greater number of measurements in the far wake region would have assured a more reliable analysis of the wake developing rates.

Le griglie sono utilizzate in campo fluidodinamico per creare una caduta di pressione e conseguentemente attenuare i profili di velocità, rendendo omogenee le strutture turbolente. Griglie di estensione “infinita” vengono ampiamente utilizzate nelle gallerie del vento per creare turbolenza il più possibile omogenea, come ampiamente discusso da [3]. Le griglie di dimensione finita possono essere utilizzate per altri scopi, ad esempio come dischi attuatori per la simulazione sperimentale di scie prodotte da turbine eoliche. L’obiettivo del presente progetto è quello di caratterizzare la scia generata da due griglie circolari di estensione finita, dette anche dischi porosi, e di analizzare e comparare le principali caratteristiche della scia (lunghezze caratteristiche, velocità di centre-line). Le griglie presentano la stessa forma e dimensione, e sono costruite con gli stessi elementi di legno. La unica differenza è relativa alla geometria della mesh: un disco è composto da una mesh monoplanare mentre nell’altro la mesh è biplanare. Misure sperimentali preliminari mediante tubo di Pitot avevano mostrato come il disco monoplanare inducesse una scia circolare assialsimmetrica, e come la griglia biplanare creasse invece una scia non assialsimmetrica con una particolare forma a doppio emisfero. In letteratura sono disponibili molti studi sulle scie assialsimmetriche, a contrario del caso delle scie non assialsimmetriche. Pertanto si è ritenuto opportuno utilizzare i parametri delle scie assialsimmetriche per valutare in maniera coerente il grado di non assialsimmetricità della scia dellamesh biplanare. Le techiche utilizzate nel corso del lavoro sono state visualizzazioni di flusso attraverso linee di fumo e misurazioni PIV 2-D su entrambi i modelli di disco, aventi un diametro di 80mm. Le visualizzazioni con linee di fumo hanno permesso di caratterizzare qualitativamente la scia nelle vicinanze del disco poroso (1D - 5D downstream). La tecnica PIV è stata utilizzata al fine di ottenere un’analisi quantitativa sui campi di velocità instantanei e medi nella regione vicina a valle dei dischi porosi (1D 􀀀 8D downstream). I risultati sono stati quindi elaborati per ottenere i parametri necessari alla comparazione con i lavori presenti in letteratura. Le misurazioni sono state condotte ad un solo numero di Reynold, (ReD = 800000). Le visualizzazioni di flusso confermano l’assialsimmetricità della scia del disco monoplanare, e le disomogeneità nel caso del disco biplanare. Infatti, il piano orizzontale della scia del disco biplanare si sviluppa più velocemente rispetto al piano verticale, e ad una distanza di 8 diametri presenta una grandezza doppia. Le visualizzazioni dimostrano, inequivocabilmente, come la disomogeneità sia collegata alla caratteristica di biplanarità del disco: ruotando il disco di 90 , la scia ruota di conseguenza. Dalle misurazioni del campo medio di velocità attraverso la PIV, si osserva che la lunghezza caratteristica Transverse length scale cresce con un andamento di x1=3, in buon accordo con la teoria e i lavori precedenti. Il deficit di velocità della centre-line decresce, nel disco monoplanare, come x􀀀2=3, ancora una volta in accordo con quanto riportato in letteratura [6]. Nel caso biplanare, i risultati sembrano confermare un andamento proporzionale a x􀀀1. Il presente lavoro ha fornito un’analisi comparativa tra una scia assialsimmetrica ed una non assialsimmetrica generate da una griglia con simili parametri geometrici. Le visualizzazioni di flusso hanno confermato questa disomogeneità. Le misurazioni tramite tecnica PIV hanno aiutato a quantificare la disomogeneità della scia, sebbene siano necessarie ulteriori analisi per meglio comprendere il fenomeno fisico alla base della disomogeneità. Un numero maggiore di misurazioni nella regione lontana della scia assicurerebbe maggiore affidabilità nell’analisi dell’andamento asintotico dei parametri caratteristici.