Turbulent jet flows issuing from rectangular nozzles are used in many technological and practical applications. Understanding their development and mechanics is important to the design and performance improvement of these applications. Therefore, rectangular jets have been studied extensively over the past decades. Previous investigations have extensively studied the effects of various initial and boundary conditions such as nozzle type, nozzle aspect ratio, nozzle exit turbulence intensity, jet exit Reynolds number. Nozzle type (e.g. smooth contraction nozzle, channel, radially contoured nozzle) has been found to affect the development of these jets. While varying Reynolds number affects the mixing of the jet with its ambient either in the near field or in the far field. Nozzle aspect ratio is also an important boundary condition. It has been experimentally shown that aspect ratio influences the dimensionality of flow field, and hence entrainment between the jet and its ambient. Some of these investigations have used sidewalls (two parallel plates attached to the nozzle short sides) to improve the two-dimensionality of the flow fields, and/or endplate (a wall flush at the nozzle exit) to prevent mixing upstream of the nozzle. Despite this fact very few investigators have specifically considered the effect of endplate or sidewalls on jet development. In the present investigation, the effects of endplates and/or sidewalls on turbulent jets issuing from a rectangular of aspect ratio, AR= 15 have been studied. The mean streamwise and lateral velocity and turbulent characteristics of four different rectangular jets, namely, 1. jet with no endplate and no sidewalls, NENS, 2. jet with endplate and no endplate, WENS, 3. jet without endplate and with sidewalls, NEWS and 4. jet with endplate and with sidewalls, WEWS, have been measured, with x-sensor hot wire anemometry, up to an axial distance of 35 D under identical inlet conditions. Centreline measurements for the four configurations have been collected for three Reynolds number, ReD=10,000, 20,000 and 30,000. For ReD=20,000 measurements in the transverse direction were collected at 13 different downstream locations in the range of x= (0, 1, 2, 2.5, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30 and 35) nozzle widths. The jet with no endplate and no sidewalls (NENS) and the jet with endplate and no sidewalls (WENS) produce nearly similar mean and turbulent velocity profiles indicating insignificant effect of the endplates on their development in the absence of the sidewalls. At Re=20,000, larger mean streamwise velocity values were observed at the edges of the jets (NEWS or WEWS) at distances from nozzle in the range of x/D=3-30 whereas the presence of the endplate has an insignificant effect. The presence or absence of sidewalls is also key factor determining the distributions of the lateral mean velocity component. The presence of sidewalls is associated with lower outward velocities within the edges of the jets and higher inward ones outside the edges. The absence of sidewalls makes the presence of the endplate insignificant and the lateral velocity attains outside the edges low negative values of almost the same level in both cases (NENS, WENS) The presence of an endplate has again some significance only when the sidewalls are present alleviating their effect. Absence of the endplate in jet with sidewalls, leads to lowest spread rate compared to the case with endplates (comparing jet with no endplate and with sidewalls, NEWS and jet with endplate and with sidewalls, WEWS). The presence of an endplate in the absence of sidewalls has again insignificant effect on the jet’s spread rate (comparing jet with no endplate and no sidewalls, NENS and jet with endplate and no sidewalls, WENS). The effects of endplates and/or sidewalls on the decay rates have been investigated for ReD=10,000, 20,000 and 30,000. The presence of the endplate in jets with no sidewalls has insignificant effect on decay rate as was observed for all Reynolds numbers. The presence of the endplate in jet with sidewalls, leads to higher decay rates for all Re tested compared to all cases. The decay rates of the jets with no sidewalls in the presence and absence of the endplate (NENS, WENS) seem to reach their asymptotic values at around ReD=20,000. But the jets with sidewalls have not reached an asymptotic behaviour even at the highest Re tested. The implementation of sidewalls has been found to lead to a decrease of the streamwise turbulent velocity, u′, at the exit shear layer. Current results indicate that the presence of an endplate has an insignificant effect and the estimates for the root mean square of the streamwise velocity fluctuation u′, at the exit shear layer can be grouped according to the absence or presence of sidewalls (3.8% of the mean centreline velocity for NENS and WENS, and 3.1% for NEWS and WEWS). For all turbulent terms, the presence of the endplate has an effect in the presence of sidewalls and the nondimensional streamwise turbulent velocity attains always higher values in its presence (comparing WEWS with NEWS). The profiles of the streamwise turbulent velocity, u′ profiles for the jet with no endplate and no sidewalls, (NENS) and the jet with endplate and no sidewalls, (WENS) are almost indistinguishable in the range x/D=15-35 but the profiles of the jet with no endplate and with sidewalls, (NESWS) and jet with endplate and with sidewalls, (WEWS) indicate a monotonic increase of the values in the central area of the jets. This indicates that the observed trends are mainly due to the presence of the sidewalls and presence or absence endplate has insignificant effect. / Οι επίπεδες τυρβώδεις δέσμες εκροής ανήκουν στην κατηγορία των απλών ροών που παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον για τη ρευστομηχανική και για το λόγο αυτό αποτέλεσαν θέμα μελέτης και έρευνας εδώ και πολλά χρόνια με θεωρητικά, πειραματικά και υπολογιστικά εργαλεία. Οι αρχικές διερευνήσεις επικεντρώθηκαν στη μελέτη του μέσου και τυρβώδους πεδίου της ταχύτητας ή κάποιου παθητικού ρυπαντή προσπαθώντας να αναδείξουν κυρίως τα κοινά χαρακτηριστικά αυτοομοιότητας που αναπτύσσουν οι δέσμες εκροής κυρίως στο απομακρυσμένο πεδίο. Κατά τις τελευταίες δεκαετίες και με δεδομένη τη σημασία που έχουν οι τυρβώδεις ορθογωνικές δέσμες εκροής σε πολλές πρακτικές εφαρμογές (συστήματα καύσης, ψύξη επιφανειών, έλεγχος άντωσης, έλεγχος θορύβου κλπ) η έρευνα προσανατολίστηκε στην επίδραση των αρχικών και συνοριακών συνθηκών (γεωμετρικά χαρακτηριστικά και διαμόρφωση του ακροφυσίου εκροής, αριθμό Reynolds, ένταση τύρβης στην έξοδο) στη διαμόρφωση του εγγύς και του μέσου πεδίου. Σε αρκετές από τις προηγούμενες διερευνήσεις έχουν χρησιμοποιηθεί πλευρικά τοιχώματα (sidewalls) που επεκτείνουν τις στενές πλευρές του ακροφυσίου στη διεύθυνση της ροής ή/και τοίχωμα εκροής (endplate) με στόχο την επίτευξη διδιάστατης ροής. Η σημασία της παρουσίας αυτών των τοιχωμάτων, η οποία έχει μελετηθεί ελάχιστα στο παρελθόν, αποτελεί το στόχο διερεύνησης της παρούσας διατριβής. Η επίδραση των πλευρικών τοιχωμάτων και του τοιχώματος εκροής μελετήθηκαν πειραματικά με τη χρήση ενός ακροφυσίου ομαλής σύγκλισης με λόγο πλευρών 15 με τη χρήση διατάξεων που υλοποιούσαν τέσσερεις τύπους συνοριακών συνθηκών και συγκεκριμένα: 1. Ελεύθερη δέσμη εκροής χωρίς τοίχωμα εκροής - χωρίς πλευρικά τοιχώματα (No endplate - no sidewalls, NENS), 2. Δέσμη εκροής με τοίχωμα εκροής - χωρίς πλευρικά τοιχώματα (With endplate - no sidewalls, WENS), 3. Δέσμη εκροής χωρίς τοίχωμα εκροής - με πλευρικά τοιχώματα (No endplate - with sidewalls, NEWS), 4. Δέσμη εκροής με τοίχωμα εκροής - με πλευρικά τοιχώματα (With endplate - with sidewalls, WEWS). Η πειραματική διερεύνηση έγινε με την χρήση ανεμομετρίας θερμού σύρματος (Hot wire anemometry, HWA) με αισθητήρα τύπου Χ για τη μέτρηση της διαμήκους και της εγκάρσιας συνιστώσας της ταχύτητας. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις και για τις τέσσερεις διατάξεις επάνω στον άξονα εκροής για τρείς διαφορετικούς αριθμούς Reynolds, ReD = 10,000, 20,000 και 30,000 σε αποστάσεις μέχρι 35 πλάτη ακροφυσίου, D, από το σημείο εκροής. Για ReD = 20000 καταγράφηκαν επίσης οι εγκάρσιες κατανομές των δύο συνιστωσών της ταχύτητας σε δεκατρείς σταθμούς σε αποστάσεις από την έξοδο x/D = 0, 1, 2, 2.5, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30 και 35. Τα αποτελέσματα του μέσου όσο και του τυρβώδους πεδίου καταδεικνύουν ότι η παρουσία των πλευρικών τοιχωμάτων έχει σημαντική επίδραση στην ανάπτυξη του ροϊκού πεδίου. Αντίθετα η παρουσία του τοιχώματος εκροής διαφοροποιεί τα αποτελέσματα μόνο στην περίπτωση που υπάρχουν ήδη τα πλευρικά τοιχώματα.

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα των τρισδιάστατων διανυσμάτων των τυρβωδών πεδίων ταχύτητας και στροβιλότητας στην εγγύς περιοχή της τυρβώδους ορθογωνικής δέσμης με λόγο σύγκλισης 6. Οι τυρβώδεις ορθογωνικές ελεύθερες δέσμες έχουν πρακτικό ενδιαφέρον για την καύση, την πρόωση και τις περιβαλλοντικές ροές. Για την μέτρηση των μέσων και στατιστικών χαρακτηριστικών των συνιστωσών των δυο πεδίων σε διαφορετικές θέσεις στην εγγύς περιοχή της δέσμης χρησιμοποιήθηκε κεφαλή 12-αισθητήρων θερμού νήματος αποτελούμενη από τρεις κεφαλές 4 αισθητήρων. Η κεφαλή 12-αισθητήρων μετράει ταυτόχρονα τις τρεις συνιστώσες της ταχύτητας σε τρεις διαφορετικές θέσεις και επιτρέπει τον υπολογισμό των χωρικών παραγώγων του ανύσματος της ταχύτητας με την μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών με ακρίβεια πρώτης τάξεως. Η κατασκευή της κεφαλής 12-αισθητήρων και η τεχνική μέτρηση βασίζεται στην εργασία των Lemonis & Drakos (1995) και Lemonis (1995) και έχει περαιτέρω βελτιωθεί στο Εργαστήριο Τεχνικής Θερμοδυναμικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Οι μετρήσεις διεξήχθησαν σε αριθμό Reynolds, ReD = 21000 σε αποστάσεις κατά μήκος της ροής ίσες προς x/D =1, 3, 6 και 11, όπου D είναι το πλάτος του ακροφυσίου. Η αξιοπιστία της κεφαλής 12-αισθητήρων εκτιμήθηκε σε σύγκριση με τα αποτελέσματα της κεφαλής αισθητήρων X. Τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις του πεδίου ταχύτητας και με τις δύο κεφαλές είναι σε καλή συμφωνία, εκτός από τις θέσεις όπου οι μεγάλες χωρικές κλίσεις της ταχύτητας και η τρισδιαστατότητα του πεδίου ταχύτητας υπονομεύουν τις μετρήσεις με την κεφαλή αισθητήρων Χ. Οι στατιστικές ιδιότητες των πεδίων της ταχύτητας και στροβιλότητας που υπολογίστηκαν από τις μετρήσεις με την κεφαλή 12-αισθητήρων εκτιμιούνται σε σύγκριση με πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα άλλων ερευνητών. Οι κατανομές των κυμαινόμενων πεδίων της ταχύτητας και στροβιλότητας δείχνουν ότι στην περιοχή του πυρήνα δυναμικού οι τιμές είναι αρκετά χαμηλές στον κεντρικό άξονα της δέσμης και αρκετά υψηλές στα διατμητικά στρώματα. Κατάντι της ροής οι διακυμάνσεις της ταχύτητας και στροβιλότητας μεταφέρονται από τα διατμητικά στρώματα προς το κέντρο και τις άκρες της δέσμης και οδηγούν στη συγχώνευση των διατμητικών στρωμάτων. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν επίσης τα υψηλά επίπεδα του ρυθμού εκφυλισμού (dissipation rate) στα διατμητικά στρώματα. Το ισοζύγιο της τυρβώδους ενέργειας παρουσιάζει σημαντικές διαφορές με το αντίστοιχο της επίπεδης δέσμης. Η σύγκριση των όρων της εξίσωσης της μέσης τετραγωνικής διακύμανσης της στροβιλότητας στη θέση x/D=11 δείχνει ότι η περιστροφή και η διάταση λόγω των διακυμάνσεων του ρυθμού παραμόρφωσης (strain rate) εξισορροπείται από τον ιξώδη εκφυλισμό της στροβιλότητας. Οι ανισοτροπίες στην εγγύς περιοχή της τυρβώδους ορθογωνικής δέσμης ερευνώνται και συζητούνται λεπτομερώς. Για την ερευνά της δομικής εξέλιξης της τυρβώδης ορθγωνικής δέσμης στην εγγύς περιοχή χρησιμοποιήθηκε επίσης και η μέθοδος PIV. Οι μετρήσεις με την μέθοδο PIV προσφέρουν το πλεονέκτημα της απεικόνισης της ροής μαζί με τη δυνατότητα καλύτερης κατανόησης των φαινόμενων της ροής, και ειδικότερα, πώς η δημιουργία, η αλληλεπίδραση και η συγχώνευση των στροβίλων συμβάλλουν στην ανάπτυξη της ορθογωνικής δέσμης. Τα αποτελέσματα των κατανομών φασμάτων ισχύος δείχνουν ότι μετά το τέλος του πυρήνα δυναμικού η ενισχυμένη συχνότητα αντιστοιχεί σε αριθμό Strouhal St=f•yc/U0≈0,11. Οι κατανομές της πυκνότητας ελικότητας στις περιοχές των διατμητικών στρωμάτων για x/D=3, 6, 11 δείχνουν μια τάση των ολικών διανυσμάτων της ταχύτητας και στροβιλότητας να ευθυγραμμιστούν. Από την άλλη, στις περιοχές των διατμητικών στρωμάτων για x/D=1 όπου το ολικό διάνυσμα της ταχύτητας είναι περίπου κάθετο προς την μέση ροή οι κατανομές παρουσιάζουν αντίθετη μορφή, όπως θα αναμενόταν. Η συλλογή πληροφοριών στην παρούσα έρευνα και η σύγκριση με τα ήδη υπάρχοντα στην βιβλιογραφία πειραματικά αποτελέσματα για τις τυρβώδες δέσμες αναμένεται να διευρύνουν περαιτέρω τη γνώση σχετικά με τη δομή των ελεύθερων διατμητικών ροών. / In the present work the three-dimensional velocity and vorticity vector fields in the near field of the rectangular turbulent jet with aspect ratio 6 have been experimentally investigated. Turbulent rectangular jets are prototypical free shear flows of practical interest in propulsion, combustion and environmental flows. The presented data, consisting of distributions of mean and statistical characteristics of the components of the two fields at several locations within the jet’s near field region, were obtained by using an in-house constructed 12-sensor hot wire probe consisting of three closely separated orthogonal 4-hot wire velocity arrays. The probe measures the three components of velocity simultaneously at three closely spaced locations. Spatial velocity derivatives are estimated using a forward difference scheme of first order accuracy. Streamwise velocity derivatives are estimated using Taylor’s frozen turbulence hypothesis. The 12-sensor construction and measurement technique relies upon previous work of Lemonis & Dracos (1995) and Lemonis (1995) and has been further improved and refined at the Laboratory of Applied Thermodynamics of the University of Patras. Measurements have been conducted in a jet with Reynolds number ReD = 21000 at nozzle distances, x/D =1, 3, 6 and 11, where D is the width of the nozzle. The performance of the 12-sensor probe is investigated in comparison with X-sensor probe measurements. Results referring to measurements of velocity with both sensors are in good agreement, except in locations where the steep velocity gradients and the three dimensionality of the velocity field undermine X-wire probe measurements. The statistical properties of the velocity-vorticity fields based on measurements with the 12-sensor probe are presented in comparison with several experimental and direct numerical simulation data of other researchers. Distributions of fluctuating velocity –vorticity fields show that in the potential core region the values are low on the centerline of the jet and quite high in the shear layers. Downstream the velocity-vorticity fluctuations spread from the shear layer towards the centre and the edge of the jet leading to merging of the two mixing layers. The results also confirm the high levels of dissipation rate in the shear layers. The turbulent energy balance shows important differences to that in plane jets. The budget of the transport equation for fluctuating enstrophy at x/D=11 indicates that the rotation and stretching by the fluctuating strain rate is balanced by the viscous dissipation of vorticity. The anisotropies in the near field of the turbulent rectangular jet are illustrated and discussed in detail. The structure development of a rectangular turbulent jet in the near field region has been also investigated experimentally using PIV. The results obtained with PIV measurements offer the advantages of flow visualization along with the possibility of better understanding the flow phenomena, in particular, how the formation, interaction and merging of vortices contribute to the development of the rectangular jet. The results of spectra distributions indicate that the most amplified frequency after the end of the potential core give rise to a Strouhal Number St=f•yc/U0≈0,11. In the regions of turbulent shear layers at x/D=3, 6, 11 the pdf’s of the relative helicity density h have shapes showing a preferred tendency for the total velocity and vorticity vectors to be aligned. On the other hand, in the regions of turbulent shear layers at x/D=1 where the total vorticity vector is more nearly orthogonal to the mean flow, the pdf’s show the opposite shape, as would be expected. Comparison and integration of the obtained information with the existing body of experimental evidence on turbulent rectangular jets is expected to enhance knowledge on the turbulence structure in free shear flows.

Lors d’un vol hypersonique (Mach 6, 20 km d’altitude) la couche limite se développant sur l’avant-corps d’un véhicule hypersonique est laminaire. Cet état cause un désamorçage du moteur (statoréacteur) assurant la propulsion du véhicule. Pour pallier ce problème, il faut forcer la transition de la couche limite á l’aide d’un dispositif de contrôle dont l’effet est permanent (passif) ou modulable (actif) pendant le vol. Dans ce travail, nous analysons l’efficacité d’un dispositif actif d’injection d’air á la paroi pour forcer la transition de la couche limite sur un avant-corps générique. L’interaction jet d’air/couche limite est simulée numériquement avec une approche aux grandes échelles (LES). Une étude paramétrique sur la pression d’injection permet de quantifier l’efficacité du jet á déstabiliser la couche limite. L’influence des conditions de vol (altitude, Mach) sur la transition est également étudiée. Une analyse des résultats de simulation par Décomposition en Modes Dynamiques (DMD) est menée pour comprendre quels sont les modes dynamiques responsables de la transition et les mécanismes sous-jacents. Des essais dans la soufflerie silencieuse de l’université de Purdue (BAM6QT) ont été effectués pour tester expérimentalement l’efficacité des dispositifs passifs (rugosité isolée en forme de losange) et actifs (mono-injection d’air) pour faire transitionner la couche limite. Une peinture thermo-sensible et des capteurs de pression (PCB, Kulite) ont été utilisés pour déterminer la nature de la couche limite. Les résultats de ce travail montrent qu’une injection sonique suffit pour forcer la couche limite. On observe des essais, que pour une même hauteur de pénétration, les rugosités isolées sont moins efficaces que les jets (mono injection) pour déstabiliser la couche limite. / During a hypersonic flight (Mach 6, 20 km altitude), the boundary layer developing on the forebody of a vehicle is laminar. This state may destabilize the scramjet engine propelling the vehicle. To overcome this problem during the flight, the boundary layer transition has to be forced using a control device whose effect is fixed (passive) or adjustable (active). In this work, we analyze the efficiency of a jet in crossflow in forcing the boundary layer transition on a generic forebody. The flow is computed with a Large Eddy Simulations (LES) approach. A parametric study of the injection pressure allows the efficiency of the jet in tripping the boundary layer to be quantified. The influence of flight conditions (Mach, altitude) on the transition is also studied. Dynamic Mode Decomposition (DMD) is applied to the simulation results to determine the transition leading to dynamic modes and to understand underlying transition mechanisms. Experiments in the Purdue University quiet wind tunnel (BAM6QT) were performed to quantify the efficiency of a passive transition device (diamond roughnesses) and an active transition device (single air jet) in tripping the boundary layer. A thermo-sensitive paint and pressure transducers (Kulite, PCB) were used to determine the state of the boundary layer on the generic forebody. Experimental and numerical results show a sonic injection is sufficient to induce transition. We observe from the experiments that for the same penetration height, a single roughness is less efficient than a single air jet in destabilizing the boundary layer.