Imaging based optical diagnostics have played an important role in combustion and fluids studies. However, most imaging techniques are two dimensional. The increasing interest in accurate whole field measurement has heightened the need for developing three dimensional methods. Furthermore, many flows are inherently 3D in nature. One aim of this study is to develop an innovative 3D schlieren/shadowgraph system based on conventional schlieren/shadowgraph techniques. Furthermore, several research issues related to fluid mechanics and combustion are investigated using multi optical methods, including high speed direct/schlieren imaging, stereo imaging and 3D reconstruction and PIV techniques, etc. Firstly, a stereoscopic shadowgraph system has been developed using two sets of conventional z-type schlieren configurations. The test volume is set at the intersection of two inclined converging beams formed by two pairs of parabolic mirrors. Two synchronised high speed cameras are used to record the shadowgraph image pairs simultaneously. A precisely etched metal mesh plate is used to calibrate the stereoscopic shadowgraph system. The fully developed MATLAB code is employed to obtain calibration parameters and 3D coordinates reconstruction. A crystal block with internal 3D images is acted as a static model for point reconstruction. The 3D coordinates obtained are in good agreement with the real dimensions. The technique has been subsequently applied to investigate the bursting dynamics of a bubble. The 3D curve reconstruction is also accomplished successfully. The stereoscopic shadowgraph technique has been shown to be an effective method for both 3D visualisation and quantitative measurement. Secondly, the spark induced hot gas jet of a gas turbine combustor igniter has been investigated using optical methods with the combination of high speed schlieren and stereo imaging. A spherical shockwave and a hot gas jet are observed after spark initiation. The 3D velocity vectors of the flying off metal bits are calculated by a stereo imaging and reconstruction algorithm. It has been found that the amount and velocity distributions of the eroded metal bits are very different even at a fixed input voltage to the igniter, which contrasts with the quite consistent hot gas jet development. The 3D structures of the interaction boundaries between hot gas and ambient air are reconstructed for the first time using stereoscopic shadowgraph technique. Thirdly, the vortex dynamics and structures of methane-air diffusion flames are investigated under different co-flow conditions. The schlieren and PIV images show that the visible flame flickering is dominated by the dynamics of the external toroidal vortices outside. The co-flow air is observed to push the initiation point of toroidal vortices beyond the visible flame height and suppress flame flickering completely. The velocity vectors and vorticity contours at different air flow rates are presented and analysed. The shedding frequency of the toroidal vortex is found to be consistent with the result obtained from a photomultiplier. The investigation indicates that co-flow helps to depress flame instability by changing the vortex evolution. Finally, a laminar diffusion flame is studied under external acoustic excitation at different frequencies (6 Hz-100 Hz). The flame structures and vortex evolutions are investigated using high-speed stereo/schlieren imaging and digital imaging processing techniques. The flame frequency shows obvious nonlinear response to both the excitation frequency and amplitude. Several typical nonlinear phenomena were observed and analysed, which may serve as proof for relevant numerical simulation.

Passive and active control studies have been conducted to investigate the feasibility of stabilising a trapped vortex. Passive stabilisation is achieved using distributed steady wall suction. An enhanced aerodynamic performance with lower drag and higher lift has been achieved as a result of passive stabilisation, but only up to moderate suction rates. When the trapped vortex is stabilised, vortex shedding is completely suppressed and flow unsteadiness is significantly reduced. Compared with steady suction, pulsed suction reduces the required suction rate for stabilisation by over 50% at an optimum pulsing frequency. Using slow suction reduction from a stable state, savings in mean suction are also possible provided the rate of suction reduction is small enough. It appears, however, that such reduction is dependent on the specific shape of the aerofoil’s cavity. A bifurcation analysis has shown that the loss of stability of a trapped vortex, from a stable state to unstable cortex shedding, is also dependent on the cavity configuration. A linear feedback controller with an optimum gain G extends the slow suction reduction results by achieving stabilisation at a reduced mean suction compared with passive stabilisation. Using DVM’s ability to simulate unsteady suction and blowing, active stabilisation using vorticity flux control achieves 16% reduction in mean flow rate compared with linear control and 19% compared with passive stabilisation. The pulsed suction technique remains the most efficient method of stabilisation. Simplified power calculations have shown suction control to be effective but only within a small range of suction rates. Using DVM’s capability of providing controlled input-output data, a linear System Identification study of the trapped vortex has resulted in a dynamical model description of a stable trapped vortex which, despite being a crude estimate, is useful in future stabilisation studies.

- / -

Το παρόν τεύχος αποτελεί διπλωματική εργασία που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Γενικής Ηλεκτροτεχνίας του Τομέα Συστημάτων και Αυτόματου Ελέγχου. Συνίσταται στην κατασκευή και λειτουργία μιας πειραματικής διάταξης αυτοματισμού στην οποία εφαρμόζονται τεχνικές ελέγχου για την πραγματοποίηση ελεγχόμενης αεροδυναμικής αιώρησης ελαφρών σωμάτων. Περιλαμβάνει εξοπλισμό όπως αναλογικές βαλβίδες πεπιεσμένου αέρα, αισθητήρες και έναν Προγραμματιζόμενo Λογικό Ελεγκτή (PLC) που ελέγχει τη λειτουργία της διάταξης. Η πειραματική διάταξη αυτοματισμού που κατασκευάστηκε είναι ένα σύστημα αιώρησης ελαφρών σωμάτων με χρήση πεπιεσμένου αέρα. Αισθητήρες θέσης προσφέρουν την δυνατότητα γνώσης κάθε χρονική στιγμή της θέσης του σώματος. Μέσω του Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή επιτυγχάνουμε αιώρηση του σώματος σε αυστηρά ελεγχόμενο ύψος κάνοντας χρήση διαφόρων μεθόδων ελέγχου (On-Off, PID). Τα αντικείμενα με τα οποία πειραματιστήκαμε ήταν κυρίως σφαίρες μικρής διαμέτρου(4-5cm) και βάρους μερικών γραμμαρίων. Κατά την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής, έγινε προσπάθεια αιώρησης και ελέγχου επίπεδων αντικειμένων. Με το διατιθέμενο εξοπλισμό (περιορισμοί πίεσης αέρα, είδους ακροφυσίου κλπ.) κατέστη δυνατή η αιώρηση επίπεδων αντικειμένων μόνο για μικρή χρονική διάρκεια. Δοκιμάσθηκαν διάφοροι τύποι και χωρικοί συνδυασμοί ακροφυσίων για τη δημιουργία επίπεδου στρώματος “πεπιεσμένου” αέρα. Στην πράξη διαπιστώθηκε ταλαντωτική συμπεριφορά των επίπεδων αντικειμένων και ισχυρή αστάθεια του όλου συστήματος. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται οι επικρατέστερες τεχνικές αιώρησης. Στο κεφάλαιο 2 προσεγγίζουμε θεωρητικά την αεροδυναμική αιώρηση παρουσιάζοντας τις σημαντικότερες αρχές και νόμους που περιγράφουν το φαινόμενο αυτό. Στο κεφάλαιο 3 υπάρχει μία εκτενής ανάλυση των ηλεκτροπνευματικών συστημάτων και στην συνέχεια των Προγραμματιζόμενων Λογικών Ελεγκτών (PLC) καθώς και το λογισμικό επικοινωνίας με PLC, το Step 7. Στο κεφάλαιο 4 αναλύεται ο εξοπλισμός της πειραματικής διάταξης, περιγράφονται τα πειράματα που διεξάγαμε και παρουσιάζεται και αναλύεται το πρόγραμμα που υλοποιήθηκε σε γλώσσα STL. Στο κεφάλαιο 5 συνοπτικά παρουσιάζεται το πρόγραμμα PLC Analyzer με το οποίο καταγράψαμε όλες τις πειραματικές μετρήσεις της διάταξης αιώρησης και τέλος παραθέτονται τα διαγράμματα από κάθε μία μέτρηση. / --

Ce mémoire traite de la mise au point et des applications d’un fluxmètre gazeux à pression constante, instrument de référence primaire pour la mesure de très faibles débits gazeux, couramment utilisé par les Laboratoires nationaux de métrologie. Il intervient dans la traçabilité des basses pressions absolues, via la méthode d’expansion continue, et celle des fuites d’hélium, liées aux applications dans le domaine du vide. De plus, nous avons montré que le fluxmètre à pression constante du Laboratoire commun de métrologie (LCM) permettait le raccordement des mesures de micro-débits, sous-domaine de la débitmétrie. Outre les points clés de la conception et la caractérisation métrologique, ce mémoire décrit l’étude de l’expansion continue ainsi que les travaux de comparaison du fluxmètre gazeux à pression constante avec les méthodes de référence employées au LCM, en particulier la méthode de gravimétrie dynamique. / This dissertation concerns the development and applications of a constant pressure gas flowmeter, the primary reference instrument used by National metrology laboratories to measure very low gas flows. It guarantees the traceability of low absolute pressures, via the continuous expansion method, and that of helium leaks, both related to applications in the field of vacuum. In addition, we have shown that the Laboratoire commun de métrologie (LCM) constant pressure flowmeter is well suited to micro-flow measurements, a sub-field of flow metering. Besides key points of the design and metrological characterization, this document describes the study of the continuous expansion method and work on comparisons of the constant pressure gas flowmeter with reference methods used at LCM, in particular the dynamic gravimetric method.