Bibliography: leaves 117-120 / vii, 120 leaves : ill ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--Dept. of Applied Mathematics, University of Adelaide, 1988

A set of plasma based jet actuators were designed for flow control applications. The characteristics of these actuators and their flow control applications were studied experimentally in a low speed wind tunnel. A dielectric barrier discharge (DBD) based jet actuator is designed, which is made of a covered cavity with two spanwise aligned parallel slots. Two-component particle image velocimetry (PIV) measurements were conducted to determine the effect of actuator in quiescent air and on a canonical zero pressure gradient turbulent boundary layer. It was found that the designed plasma jet actuator produced a transverse jet similar to a continuously blowing jet but with no mass addition into the flow field. The device is different from a traditional alternative blowing-and-suction synthetic jet as the current jet is continuously blown. As such, the DBD based jet actuator is different from either a mass injection blowing jet actuator or a traditional diaphragm based synthetic jet actuator. The impact of the actuation with the designed actuator on the boundary layer characteristics was investigated in detail at different Reynolds numbers. Circular cylinder wake flow control using a newly designed five-electrode plasma jet actuator is also presented in this thesis. This plasma actuator configuration mounted on the cylinder model can easily produce either a downward or upward jet into the flow around the circular cylinder by simply adjusting the same five electrodes’ electrical circuits. The experiments were performed at Reynolds numbers from 7,000 to 24,000. Wake profile measurements were made to evaluate the modification to the mean and fluctuation velocities in the cylinder wake. The results shown that the cylinder wake flow and the turbulence levels in the wake were modified under the actuations, sectional drag reduction and drag increment were obtained by different actuator actuation directions. The study suggested that this new designed five-electrode actuator can be applied to practical separation suppression or enhancement control by adjusting the plasma actuator electric circuits conveniently.

A deeper understanding of the different factors that influence the laminar-turbulent transition in supersonic boundary layers will help the design of efficient high-speed vehicles. In this work we study the effects of surface roughness on the stability and transition to turbulence of supersonic boundary layers. The investigation is carried out by direct numerical simulations (DNS) of the compressible Navier-Stokes equations and focuses on the modifications introduced in the transition process by localised roughness elements, for Mach numbers M∞ = 6.0 and M∞ = 2.5, and distributed slender pores at M∞ = 6.0. The first part of the investigation into the effects of localised roughness deals with the receptivity and initial exponential amplification of disturbances in boundary layers subjected to small external perturbations. Different transition scenarios are investigated by considering different free-stream disturbances and roughness elements with different heights. The results show that, for roughness heights approaching the local displacement thickness, transition is dominated by the growth of a number of instability modes in the roughness wake. These modes are damped by wall cooling and their receptivity is found to be more efficient in the case of free-stream disturbances dominated by sound. At M∞ = 6 the growth of Mack modes in the boundary layer is found to play a crucial role in the excitation of the most unstable wake modes. An investigation into the nonlinear stages of transition shows that the breakdown to turbulence starts with nonlinear interactions of the wake instability modes. This leads to the formation of a turbulent wedge behind the roughness element, which spreads laterally following mechanisms similar to those observed for the evolution of compressible turbulent spots. An oblique shock impinging on the transitional boundary layer significantly accelerates the breakdown process and leads to a wider turbulent wedge. The study ends with an analysis of porous walls as a passive method for transition control, which is carried out using a temporal DNS approach. The results show damping of both the primary, of second or Mack mode type, and secondary instabilities and indicate that, despite the high Mack number, first mode waves regain importance in this modified transition scenario.

Η διδακτορική διατριβή αφορά την πειραματική μελέτη του ισόθερμου ροϊκού πεδίου που αναπτύσσεται λόγω της αλληλεπίδρασης μιας περιδινούμενης δέσμης με μια εξωτερική παράλληλη ροή. Η συγκεκριμένη μελέτη έχει άμεση αναφορά σε διατάξεις καύσης (στροβιλοκινητήρες, φούρνους υαλουργίας, καυστήρες ντίζελ σε πλοία) και ως στόχο έχει την εμβάθυνση της κατανόησης των φυσικών μηχανισμών που αναπτύσσονται στο μέσο και τυρβώδες ροϊκό πεδίο αλλά και στη βελτίωση της διαδικασίας μίξης μεταξύ καυσίμου και οξειδωτικού μέσω του χαρακτηρισμού του τρισδιάστατου διατμητικού στρώματος που δημιουργείται λόγω της αλληλεπίδρασης τους. Αναλυτικότερα, στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής μελετώνται διαφορετικές συνθήκες αλληλεπίδρασης (λόγος παροχής μαζών) μεταξύ μιας εσωτερικής περιδινούμενης δέσμης εκροής και μια εξωτερικής ομοαξονικής ροής. Η δημιουργία της περιδίνησης βασίζεται στην εφαπτομενική έγχυση ρευστού, μια τεχνική της οποίας τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά έχουν μελετηθεί ελάχιστα στη μέχρι τώρα βιβλιογραφία. Το υπό μελέτη ροϊκό πεδίο παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον τόσο ως προς την πολυπλοκότητα του όσο και ως προς τη διερεύνηση παραμέτρων που επηρεάζουν την απόδοση συστημάτων καύσης. Το κύριο σκέλος αποτελεσμάτων που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή αφορά πειραματικές μετρήσεις οι οποίες πραγματοποιήθηκαν με τη μέθοδο Ταχυμετρίας Απεικόνισης Σωματιδίων (Digital Particle Image Velocimetry). Παρ’ όλα αυτά, στα πλαίσια του σχεδιασμού της πειραματικής διάταξης και της αρχικής αξιολόγησης του ροϊκού πεδίου, παρουσιάζονται αποτελέσματα τα οποία προέκυψαν με τη χρήση εμπορικού κώδικα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD-ACE+) και με την πειραματική μέθοδο Ανεμομετρίας Θερμού Νήματος διάταξης Χ (HWA-X probe). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν κατά πρώτα στάδια υλοποίησης της διδακτορικής διατριβής συσχετίζονται με αυτά της Ταχυμετρίας Απεικόνισης Σωματιδίων, επιτρέποντας είτε την αξιολόγηση των διάφορων τυρβωδών μοντέλων και διαφορικών σχημάτων των εξισώσεων κίνησης ή την επιβεβαίωση των συμπερασμάτων μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων των δύο πειραματικών μεθόδων. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής γίνεται αναφορά και σύγκριση με παρόμοιες διατάξεις ομοαξονικών ροών, ενώ προκύπτουν νέα στοιχεία σχετικά με τα κριτήρια ομοιότητας ομοαξονικών ροών με περιδίνηση και τους φυσικούς μηχανισμούς που αναπτύσσονται στο τρισδιάστατο στρώμα μίξης που διαμορφώνεται. Ιδιαίτερη έμφαση δίδεται στη σύνδεση της τοπολογίας του πεδίου ανακυκλοφορίας (φυσαλίδα ανακυκλοφορίας, στροβιλιζόμενος δακτύλιος) με τη δυναμική του μέσου και τυρβώδους ροϊκού πεδίου αλλά και στην επίδραση της μεταβολής του αριθμού Rossby στην ίδια τη φυσαλίδα ανακυκλοφορίας. Από την ανάλυση επίδρασης της φυσαλίδας ανακυκλοφορίας στο ροϊκό πεδίο προκύπτει η τοπολογία των ζωνών υψηλής μίξης μεταξύ των δύο ροών αλλά και αυτών που χαρακτηρίζονται από υψηλές τιμές τυρβώδους κινητικής ενέργειας όπως και από υψηλά επίπεδα ανακυκλοφορίας. Η μελέτη των χαρακτηριστικών του τρισδιάστατου διατμητικού στρώματος καταδεικνύει την ισχυρή αλληλεπίδραση του διαμήκους με το αζιμουθιακό διατμητικό στρώμα και παρέχει σημαντική πληροφορία ως προς την εξέλιξη της μίξης μεταξύ της περιδινούμενης δέσμης εκροής και της εξωτερικής ομοαξονικής ροής. Για την καλλίτερη κατανόηση της διαδικασίας μίξης εισαγάγεται ο συντελεστής διάχυσης στροφορμής (λ) ο οποίος παρέχει σημαντική πληροφορία ως προς την εξέλιξη της περιδινούμενης δέσμης εκροής σε σχέση με τις συνθήκες εισαγωγής του ροϊκού πεδίου. Τέλος, επιχειρείται η αναπαράσταση του τρισδιάστατου ροϊκού πεδίου από την επαλληλία των αποτελεσμάτων στο διαμήκες και εγκάρσιο επίπεδο μετρήσεων, όπου απεικονίζεται η τοπολογία της φυσαλίδας ανακυκλοφορίας. Από τη μελέτη των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι η κλασική προσέγγιση ταξινόμησης ροών με περιδίνηση σύμφωνα με το βαθμό στροβιλισμού δεν επαρκεί για σύνθετες ροές όπως αυτή που εξετάζεται στην παρούσα διατριβή. Για αυτό το λόγο, προτείνεται ένας νέος αδιάστατος αριθμός (αριθμός Rossby) ο οποίος σχετίζει το πεδίο πιέσεων που δημιουργείται λόγω της συμπαράσυρσης της εσωτερικής δέσμης από την εξωτερική με αυτό που οφείλεται στην περιδίνηση της εσωτερικής δέσμης εκροής. Η εισαγωγή του τροποποιημένου αριθμού Rossby βασίστηκε στην ήδη υπάρχουσα βιβλιογραφία (σύγκριση δυνάμεων αδράνειας με τις δυνάμεις επιτάχυνσης Coriolis) ως προς την επιλογή των κλιμάκων ταχύτητας, παρ’ όλα αυτά διαφοροποιείται μιας και στην ήδη υπάρχουσα θεωρία δεν υπάρχουν αναφορές σε ομοαξονικές ροές. / In this work the isothermal flow field generated by the interaction of an internal swirling jet with an external parallel flow is experimentally investigated with the use of 2D Digital Particle Image Velocimetry. Swirl is produced through tangential injection of air. Parametric change of inlet flow rates (constant tangential injection with change of annular flow and vice versa) is being considered in order to study the mean and turbulent flow field. Coaxial swirling jets are widely used in combustion systems as they enhance fuel and oxidant mixing and flame stabilization. Amongst well known features of introducing swirl in jet flows (increase of jet growth, entrainment and decay), highly swirling jets have been studied in combustion configurations as they impose radial and axial pressure gradients generating an internal toroidal recirculation zone, a phenomenon known as “vortex breakdown”. The complex structure of vortex breakdown has been a challenging issue for experimentalists over the past few decades emphasizing on its effect on aerodynamic and mixing attributes of combustion flow fields. Focusing on the study of coaxial swirling jets, rather limited data has been presented up to now, regarding the topology and turbulent attributes of the flow field created by coaxial jets with inner and/or outer swirl. Following previous work on coaxial swirling jets with inner or outer swirl and coaxial jets without swirl which lead to recirculation, a sufficient need for a deeper understanding of the physical mechanisms developing in such complex flow fields, comes up. This Thesis stands as an attempt to present the main features of such a complex flow field, which results from the interaction of a typical swirling jet undergoing “vortex breakdown” with an outer annular flow with “back step flow” characteristics. An analysis of the mean and turbulent flow statistics is presented, correlating flow field mechanisms with the three dimensional shear layer characteristics and the topology of the recirculating flow field (recirculation bubble, vortex ring). Research on vortex breakdown phenomena has led to a parallel research on the critical parameters that could determine whether vortex breakdown will occur. The definition of non-dimensional parameters (Swirl/ Rossby number etc), mainly based on the correlation of axial and azimuthal velocities or momenta, has been an issue of scientific interest that has often led to different approaches and criteria for vortex breakdown prediction. Additionally, it is seen through literature review that predicting vortex breakdown is not by itself adequate to characterize the mean and turbulent features of the recirculating flow field. In the case of coaxial jets, with or without swirl, previous studies have shown that the flow field created is strongly affected not only by the velocity or mass flow ratio of the jets but also by the absolute values of the jets’ velocities or the velocity jump between the two streams. For the case of coaxial swirling jets it is apparent that the interaction between the shear layers (mainly azimuthal and axial) is the key to understand the features of such a complex flow field. Through the similarity study conducted within this Thesis, a modified Rossby number is proposed as a parameter sufficient to describe the flow field’s trends. The modified Rossby number correlates the pressure drop due to fluid entrainment to that due to the rotation of the inner swirling jet. Presentation of the experimental results breaks down into two main sections; the first one where the effect of inlet conditions on the recirculating flow field mean and turbulent characteristics is discussed and the second one dealing with the interaction between the azimuthal and longitudinal shear layer. Through the analysis of the recirculation bubble effect on flow field attributes, emphasis is given into the characterization of intense mixing and turbulence regions. Additionally, the interaction between the azimuthal and longitudinal shear layer is studied through a similarity approach, utilizing boundary layer non-dimensional scales. Finally, mixing between the two flows is studied in terms of angular momentum diffusion by introducing a non dimensional parameter (λ). Results show a global effect of the proposed Rossby number on the flow field attributes, such as the recirculation bubble length and flow characteristics and the mixing of the two flows.

Le contrôle d'écoulements turbulents est un enjeu majeur en aérodynamique. Cependant, la présence d'un grand nombre de degrés de libertés et d'une dynamique complexe rend délicat la modélisation dynamique de ces écoulements qui est pourtant nécessaire à la conception d'un contrôle efficace. Au cours de cette thèse, différentes directions ont été suivies afin de développer des modèles réduits dans des configurations réalistes d'écoulements et d'utiliser ces modèles pour le contrôle.Premièrement, la décomposition en modes dynamiques (DMD), et certaines de ses variantes, ont été exploitées en tant que base réduite afin d'extraire au mieux le comportement dynamique de l'écoulement. Par la suite, nous nous sommes intéressés à l'assimilation de données 4D-Var qui permet de combiner des informations inhomogènes provenant d'un modèle dynamique, d'observations et de connaissances a priori du système. Nous avons ainsi élaboré des modèles réduits POD et DMD d'un écoulement turbulent autour d'un cylindre à partir de données expérimentales PIV. Finalement, nous avons considéré le contrôle d'écoulement dans un contexte d'interaction fluide/structure. Après avoir montré que les mouvements de solides immergés dans le fluide pouvaient être représentés comme une contrainte supplémentaire dans le modèle réduit, nous avons stabilisé un écoulement de sillage de cylindre par oscillation verticale. / Control of turbulent flows is still today a challenge in aerodynamics. Indeed, the presence of a high number of active degrees of freedom and of a complex dynamics leads to the need of strong modelling efforts for an efficient control design. During this PhD, various directions have been followed in order to develop reduced-order models of flows in realistic situations and to use it for control. First, dynamic mode decomposition (DMD), and some of its variants, have been exploited as reduced basis for extracting at best the dynamical behaviour of the flow. Thereafter, we were interested in 4D-variational data assimilation which combines inhomogeneous informations coming from a dynamical model, observations and an a priori knowledge of the system. POD and DMD reduced-order models of a turbulent cylinder wake flow have been successfully derived using data assimilation of PIV measurements. Finally, we considered flow control in a fluid-structure interaction context. After showing that the immersed body motion can be represented as an additional constraint in the reduced-order model, we stabilized a cylinder wake flow by vertical oscillations.