Analisi sperimentale dell'iniezione di un getto in un flusso trasverso in un condotto mediante misure di temperatura

The subject of this thesis is the injection of a Jet in cross-flow (transverse flow), a topic widely discussed in literature, having numerous practical applications in environmental matters, external aerodynamics and in turbomachinery. It has been shown that, when a Jet injected perpendicularly to a homogeneous flow, it establishes a complex interaction that leads to the formation of four different vortical structures [1]: the jet shear layer vortices, the nascent far field vortex pair, the near wall horseshoe vortices, and a complex system of vortices in the wake of the jet. Despite considerable progress in this field, many aspects of the flow field remain unclear, especially regarding the formation and evolution of vortical structures. In the bibliography there is little information regarding the behavior of heated jets. Then this paper aims to clarify the behavior of a hot Jet (approx. 120° C), perpendicularly injected to a standard temperature flow (20° C). In this regard it is investigated the interaction of two streams in a strongly confined environment (the duct has a square base with basic side equal to 40 mm) and it was decided to carry out experiments at three different values of R (1.97 - 2.95 - 4.95), but for a single value of the Reynolds number (1073), to examine the influence of the jet to crossflow velocity ratio, because this ratio represents the most significant factor that characterizes the performance of the mixing process. The procedure of analysis was measuring the temperature in the various sections of the duct through a K-type thermocouple, in order to determine the temperature range and thus the degree of mixing of two streams. That occurred, although use temperature as a parameter to evaluate the quality of mixing is very useful, especially away from the nozzle, it is not possible to determine the vortical small-scale structures. It was finally carried out the validation of the results by a comparison with the results found in the literature.

Oggetto di questa tesi è l’iniezione di un getto in cross-flow (flusso trasverso), un argomento largamente trattato in letteratura avendo numerose applicazioni pratiche in ambito ambientale, in aerodinamica esterna e nell’ambito delle turbomacchine. È stato dimostrato che, quando un getto viene scaricato normalmente a un flusso omogeneo, si stabilisce una complessa interazione che porta alla formazione di quattro strutture vorticose differenti [1]: i vortici di strato limite, i vortici a ferro di cavallo, una coppia di vortici controrotanti e un complesso sistema di vortici di scia. Nonostante considerevoli progressi ottenuti in questo campo, molti aspetti del campo di flusso rimangono poco chiari, soprattutto per quanto riguarda la formazione ed evoluzione delle strutture vorticose. In letteratura sono presenti poche informazioni riguardanti il comportamento di getti riscaldati. Allora il presente lavoro intende chiarire il comportamento di un getto caldo (circa 120 °C), iniettato normalmente a un flusso a temperatura ambiente (20 °C). A tal proposito si è investigato sull’interazione dei due flussi in un ambiente fortemente confinato (condotto a base quadrata con lato di base pari a 40 mm) e si è scelto di effettuare gli esperimenti a tre diversi valori di R (1.97 - 2.95 - 4.95), ma ad un unico valore del numero di Reynolds ( pari a 1073) per esaminare anche l’influenza del rapporto dei flussi di quantità di moto, in quanto tale rapporto rappresenta il fattore più significativo che caratterizza le performance di miscelamento. La procedura di analisi è consistita nel misurare la temperatura nelle varie sezioni del condotto tramite una termocoppia di tipo K, al fine di determinare il campo di temperatura e quindi il grado di mescolamento dei due flussi. Si è verificato che, sebbene utilizzare la temperatura come un parametro per valutare la qualità del mescolamento sia molto utile, soprattutto lontano dall’ugello, non è però possibile determinare le strutture vorticose di piccola scala. Si è infine proceduto con la validazione dei risultati tramite un confronto con i risultati presenti in letteratura.