Thesis--Ph. D., University of Hong Kong.

published_or_final_version / Mechanical Engineering / Doctoral / Doctor of Philosophy

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.

Coaxial jet flows have a considerable practical application area as water jet pumps. Efficiency of such systems is affected by complex turbulence mechanisms and large-scale vortex structures formed in the mixing regions. An experimental setup is constructed to estimate the momentum exchange rates and mixing of the two jet flows from the coaxial pipes. Pressure distributions along the mixing pipe wall are measured for different flow ratios of the jets. In addition to present experiments, numerical data of two experimental studies from the literature are considered as test cases. Numerical solutions for the test cases are obtained using FLUENT. Experimental and numerical results are compared and adequacy of FLUENT solution is illustrated.

Dans les chambres de combustion des moteurs fusées cryotechniques, la pression excède la pression critique des réactifs. Les interactions moléculaires ne sont plus négligeables et le comportement du fluide n’est plus celui d’un gaz parfait. Le but de cette thèse est de développer un outil de Simulation des Grandes Echelles (SGE) pour étudier la combustion et la dynamique dans des géométries réalistes de moteur fusées. L’utilisation de l’équation d’état de Peng-Robinson, associée à une formulation thermodynamique généralisée, et des coefficients de transports appropriés permettent au code de SGE AVBP du CERFACS de simuler des systèmes réactifs à pression supercritique. Les changements thermodynamiques au sein d’AVBP nécessitent également l’adaptation des conditions limites et des schémas numériques. L’outil est validé sur une configuration mono-espèce à pression supercritique, puis sur un cas représentatif d’un injecteur coaxial de moteur-fusée. Les résultats obtenus sont en bon accord avec l’expérience et offrent des perspectives encourageantes pour des études futures, telles que des configurations multi-injecteurs ou l’analyse des instabilités de combustion haute fréquence. / In cryogenic engines combustion chambers, pressure exceeds the propellants critical pressure. Molecular interactions are generally no longer negligible and fluid behavior deviates from that of a perfect gas. The objective of this thesis is to develop a Large-Eddy Simulation (LES) tool to study combustion and dynamics in realistic geometries of rocket engines. The use of the Peng-Robinson equation of state, in conjunction with a generalized treatment of thermodynamics and appropriate transport coefficients, allows the CERFACS’ LES code AVBP to handle reactive systems at supercritical pressure. Change of the thermodynamics in AVBP necessarily leads to an adaptation of boundary conditions treatment and numerical schemes. The tool is validated on a mono-species configuration at supercritical pressure, and a reactive single coaxial injector, representative of a rocket injector. Results are in good agreement with experiments and provide encouraging perspectives for future studies, such as multi-injector configurations and high-frequency combustion instabilities.

Ce travail porte sur l'étude expérimentale et numérique de jets coaxiaux de rapports de vitesses débitantes intérieure/extérieure) inférieurs à l’unité, présentant une rotation dans le jet annulaire. Dans un premier temps, des visualisations par tomographie laser ont été réalisées dans les plans méridien et transversaux permettant une description tridimensionnelle de l'écoulement. Pour différents nombres de Reynolds, de rapport de vitesses et de nombre de Swirl, un inventaire des modes dominants a pu être établi. Les champs instantanés de vitesses ont ensuite été mesurés par Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Les résultats de mesures de vitesses longitudinales et azimutales moyennées en temps sont présentés. Une comparaison avec les structures observées par tomographie est proposée. Une décomposition de Fourier a été effectuée permettant d'identifier les modes dominants ainsi que leur position dans la direction radiale. L'approche expérimentale a été suivie par une analyse de stabilité linéaire. Une attention particulière est portée sur l'état de base stationnaire reconstruit à partir des profils de vitesses mesurées par PIV à la sortie du jet. Étant donné que l'écoulement est non parallèle, une approche globale de la stabilité est utilisée. L'étude de la stabilité est basée sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes par des méthodes pseudo-spectrales. L'objectif de cette analyse est de retrouver la carte en mode de Fourier azimutaux observée expérimentalement. Nous nous sommes donc intéressés au taux de croissance le plus élevé de la perturbation pour chaque mode azimutal ainsi qu'à la nature convective/ absolue des modes. Pour finir, une com / This work concerns the experimental and numerical study of coaxial jets with outer to inner velocity ratio lower than unity, presenting a rotation in the annular jet. At first, flow visualizations by tomography laser were used in the meridian and transverse plans in order to provide a spatial description of the flow. For various values of the nondimensional parameters : numbers of Reynolds, outer to inner velocity ratio and Swirl number, an inventory of the dominant modes was be established. Instantaneous velocity fields were then measured by Particle lmaging Velocimetry (PIV). The results of longitudinal and azimuthal time-averaged Velocity fields are presented. A comparison with the structures observed by tomography is proposed. A Fourier decomposition was made allowing to identify the dominant modes as well as their position in the radial direction. Experimental investigation was followed by a linear stability analysis. Special attention is paid to the steady base-flow solution reconstructed from the velocity profiles measured by PIV at the end of the nozzle. Given that the is not parallel, a global approach was used. Study of the stability is based on the numerical solution of the incompressible Navier-Stokes equations with pseudo-spectral methods. The objective of this analysis is to the map of azimuthal Fourier modes observed experimentally. We were thus interested in the most amplified growth rate of the disturbance for every azimuthal mode as well as in the absolute/convective nature of the modes. To conclude, a comparison of the results obtained in both numerical and experimental approaches is proposed.