A real need exists for a sensor capable of detecting flow-field separation on an airplane wing during routine flight operations. A sensor of this type could lead to both improved flight safety and increased performance. It would also contribute to future separation control technologies. A new idea is presented for a sensor that is cost effective, easy to maintain, durable, and highly effective. The system, known as a Thermal Grid, works by using a grid of heaters and temperature sensors to trace out the streamlines closest to the surface. Specific singularities in these streamlines are excellent indicators of flow separation. This paper addresses many of the necessary principles that are necessary to making the Thermal Grid an operational device. An analytic design is presented that details the system requirements and potential performance, including heater/sensor spacing, heater power requirements, sensor time response and sensitivity needs and the effects of changes in flow conditions. / Master of Science

De nouvelles connaissances sur les écoulements autour des véhicules automobiles doivent aujourd'hui être apportées pour envisager une amélioration de leurs performances aérodynamiques. Ce travail de thèse repose sur des études expérimentales, réalisées en soufflerie, permettant l'analyse et la compréhension des mécanismes physiques associés aux écoulements décollés tridimensionnels et instationnaires se développant à l'arrière des véhicules automobiles. Il se concentre plus particulièrement sur la géométrie générique du corps de Ahmed permettant de reproduire les écoulements à l'arrière de véhicule de type bicorps (lunette arrière et culot). L'étude compare deux maquettes de géométrie différente dont l'une permet d'obtenir une zone de recirculation tridimensionnelle sur la lunette arrière et l'autre de conserver l'écoulement attaché. L'analyse et la comparaison des topologies moyennes des écoulements permettent d'évaluer les interactions entre la recirculation 3D et les autres structures en présence. On montre plus particulièrement que l'absence du décollement sur la lunette arrière modifie la topologie de l'écoulement à l'arrière du culot avec une réduction de traînée de l'ordre de 10%. Les résultats montrent que les effets de la recirculation ne sont pas assez importants pour modifier la position des structures tourbillonnaires longitudinales se développant sur les arêtes latérales de la lunette, mais modifient légèrement leur intensité. L'analyse spectrale des fluctuations de vitesse et de pression indique que la recirculation est le siège d'activités instationnaires pseudopériodiques. La Décomposition Orthogonale Propre des champs de vitesse et de pression montre finalement que ces activités sont associées à un mécanisme de battement de la recirculation passant d'une configuration décollée à une configuration attachée et à une émission de structures tourbillonnaires formées par la couche cisaillée de la recirculation. / More and more knowledge related to flows behind road vehicles must be provided to improve their aerodynamic performances. This PhD thesis deals with experimental studies carried out in a wind tunnel, and enables analysis and understanding of physical mechanisms related to three-dimensionnal and unsteady separated flows that develop behind road vehicles. More specifically, it focuses on the generic model of Ahmed body that recreates flows behind common fastback cars (rear window and rear part). This study compares two models with different shape, the first one having a sharped edge between the roof and the rear window enabling the development of a separated region, and the second one having a rounded edge preventing separation. Analysis and understanding of the time averaged topology of both flow configurations are performed to characterize interactions between the three-dimensionnal separation and the other structures. More specifically, it is observed that suppressing separated region over the rear window changes the flow topology behind the rear base with a drag reduction of approximately 10%. Results show that the influence of the separated region is not strong enough to modify the location of the longitudinal vortical structures, which develop at each side of the model, but is strong enough to slightly modify their intensity. Spectral analysis of the velocity and pressure fluctuations indicates that the separated region is characterized by pseudo-periodic unsteady activities. Proper Orthogonal Decomposition of instantaneous velocity and pressure fields shows that these activities are respectively related to a flapping mechanism of the separated zone moving between a shrinked state and an enlarged state, and a large scale vortices emmission resulting from the shear layer of the separated region.

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The flow over sharp-edged wings is almost always separated. The control of separated flows is possible and benefits can be achieved but only in a time average sense. A new design of an actuator was designed and tested which can achieve a wide range velocity of without frequency dependence, is free of oscillating components as well as free of secondary frequencies and therefore can be scaled up easily, unlike a traditional synthetic jet. The actuator can achieve a considerable amount of jet vectoring, thus aligning the disturbance with the leading edge shear layer. Results indicate that unsteady mini-jet actuation is an effective actuation device capable of increasing the lift in the stall region of the airfoil. Moreover, pressure measurements showed that two parameters could be altered to maximize the lift. The momentum coefficient needed a minimum value to exert influence and the actuating frequency need not be at exact the natural shedding frequency to improve the lift and can be operated at harmonics of the natural shedding frequency and obtain improvements. / Master of Science

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京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22416号 / 工博第4677号 / 新制||工||1730(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 八木 知己, 教授 清野 純史, 教授 高橋 良和 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Der vorliegende Bericht gibt einen zusammenfassenden Überblick der im Vorhaben erreichten Ergebnisse. Ziel war die Qualifikation von CFD-Methoden für Zweiphasenströmungen mit Phasenüber¬gang. Dafür werden neuartige experimentelle Daten benötigt. Diese können an der TOPFLOW-Anlage des HZDR generiert werden, da die Anlage Experimente in für die Reaktorsicher-heits¬forschung relevanten Skalen und Parametern mit innovativen Messtechniken verbindet. Die experimentellen Arbeiten umfassen Untersuchungen zu Strömungen in vertikalen Rohren mit Hilfe der ultraschnellen Röntgentomographie, zu Strömungen mit und ohne Phasenübergang in einem Testbassin sowie zur Gegenstrombegrenzung in einem Heißstrangmodell. Diese werden im vorliegenden Bericht nur kurz dargestellt, da es zu allen 3 Versuchsserien ausführliche Dokumentationen in separaten Berichten gibt. Ein wichtiges Ergebnis der Arbeiten zur CFD-Qualifizierung ist der Erstellung des Baseline-Modellkonzepts sowie die Erstellung des Baseline-Modells für polydisperse Blasenströmungen. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der Vorhersagefähigkeit von CFD-Codes auf Basis des Zwei- oder Mehr-Fluid-Modells erreicht. Das innovative Generalized Two-Phase Flow Konzept (GENTOP) zielt hingegen auf eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten der Zweiphasen-CFD. In vielen Strömungen treten unterschiedlicher Morphologien der Phasen bzw. Strömungsformen parallel in einer Strömungsdomäne auf. Außerdem gibt es Übergänge zwischen diesen Morphologien. Mit dem GENTOP-Konzept wurde erstmals ein Rahmen geschaffen der die Simulation solcher Strömungen auf konsistente Art und Weise ermöglicht. Spezielle Modellentwicklungen erfolgten mit dem Ziel einer besseren Modellierung des Phasenübergangs.

Master of Science / Department of Mechanical and Nuclear Engineering / Steven Eckels / Both cavitating and flashing flows are important phenomena in fluid flow. Cavitating flow, a common consideration in valves, orifices, and metering devices, is also a concern in loss of coolant accidents for liquid water in power plants when saturation pressures are below atmospheric pressure. Flashing flow is a common consideration for devices such as relief and expansion valves and fluid injectors as well as for loss of coolant accidents in which the coolant’s saturation pressure is above atmospheric. Of the two phenomena, flashing flow has received greater interest due to its applicability to safety concerns, though cavitating flow is perhaps of greater interest in terms of energy efficiency. It is possible for cavitating and flashing flow to actually become sonic. That is, the local velocity of a fluid can exceed the local speed of sound due to the unique properties of two-phase mixtures. When a flow becomes sonic, it is possible for the flow to accelerate and impose additional energy losses that would not otherwise occur. Models of this aspect of two-phase flow are not well developed, typically only being presented for the case of constant area ducts. In this paper two models for cavitating sonic flow are developed and described by applying the integral forms of the mass, momentum, and energy equations to a control volume of variable cross-sectional area. These models, based on the homogeneous equilibrium model (HEM) and separated flow model, are then applied to experimental data taken by the author with R-134a as the fluid of interest. Experimental data were taken with four instrumented converging-diverging nozzles of various geometries using a custom testing rig that allowed for precise control and measurement of flow parameters such as mass flow, temperature, and pressure. The resultant data from the models are then examined, focusing on the resultant velocities, Mach numbers, quality, and shear stresses.

Der vorliegende Bericht gibt einen zusammenfassenden Überblick der im Vorhaben erreichten Ergebnisse. Ziel war die Qualifikation von CFD-Methoden für Zweiphasenströmungen mit Phasenüber¬gang. Dafür werden neuartige experimentelle Daten benötigt. Diese können an der TOPFLOW-Anlage des HZDR generiert werden, da die Anlage Experimente in für die Reaktorsicher-heits¬forschung relevanten Skalen und Parametern mit innovativen Messtechniken verbindet. Die experimentellen Arbeiten umfassen Untersuchungen zu Strömungen in vertikalen Rohren mit Hilfe der ultraschnellen Röntgentomographie, zu Strömungen mit und ohne Phasenübergang in einem Testbassin sowie zur Gegenstrombegrenzung in einem Heißstrangmodell. Diese werden im vorliegenden Bericht nur kurz dargestellt, da es zu allen 3 Versuchsserien ausführliche Dokumentationen in separaten Berichten gibt. Ein wichtiges Ergebnis der Arbeiten zur CFD-Qualifizierung ist der Erstellung des Baseline-Modellkonzepts sowie die Erstellung des Baseline-Modells für polydisperse Blasenströmungen. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der Vorhersagefähigkeit von CFD-Codes auf Basis des Zwei- oder Mehr-Fluid-Modells erreicht. Das innovative Generalized Two-Phase Flow Konzept (GENTOP) zielt hingegen auf eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten der Zweiphasen-CFD. In vielen Strömungen treten unterschiedlicher Morphologien der Phasen bzw. Strömungsformen parallel in einer Strömungsdomäne auf. Außerdem gibt es Übergänge zwischen diesen Morphologien. Mit dem GENTOP-Konzept wurde erstmals ein Rahmen geschaffen der die Simulation solcher Strömungen auf konsistente Art und Weise ermöglicht. Spezielle Modellentwicklungen erfolgten mit dem Ziel einer besseren Modellierung des Phasenübergangs.

Dans le cadre de l'étude des écoulements ouverts, deux types de dynamiques coexistent. Les écoulements de type oscillateur qui présentent une fréquence propre d'oscillation indépendante des perturbations extérieures (dynamique intrinsèque), ainsi que les écoulements de type amplificateur sélectif de bruit comme les écoulements de jets ou de couches limites décollées, caractérisés par une plus large gamme de fréquences dépendantes essentiellement de bruit extérieur (dynamique extrinsèque). Les études de couches limites décollées en régime incompressible ont montré un lien entre le phénomène auto-entretenu de basse fréquence qui apparaît et l'interaction non normale des modes globaux instables existants pour ce type de configuration. L'objectif de ce travail consiste à étendre cette interprétation lorsque l'écoulement est en régime subsonique. Dans ce but, un travail d'adaptation des conditions aux limites non-réfléchissantes aux problèmes de stabilité globale a été réalisé. Une méthode de zone absorbante de type Perfectly Matched Layer a été implémentée dans un code de simulation numérique utilisant des méthodes de collocation spectrale. Une méthode de décomposition de domaine adaptée aux calculs des solutions stationnaires ainsi qu'aux problèmes de stabilité globale a également été utilisée pour permettre la validation des conditions aux limites implémentées sur un cas d'écoulement rayonnant de cavité ouverte. Enfin, les études de stabilité d'un écoulement de couche limite décollée derrière une géométrie de type bosse ont été réalisées. L'étude des instabilités bidimensionnelles, responsables du phénomène basse fréquence (flapping), et réalisées en régime subsonique montre que le mécanisme observé en régime incompressible est aussi observé en régime subsonique. La stabilité de cet écoulement vis-à-vis de perturbations tri-dimensionnelles, et plus particulièrement les instabilités centrifuges ont aussi été étudiées en fonction du nombre de Mach. / In open flows context, there are generally two types of dynamic : oscillators, such as cylinder flow, exhibit a well defined frequency insensitive to external perturbations (intrinsic dynamics) and noise amplifiers, such as boundary layers, jets or in some cases the separated flows, which are characterized by wider spectrum bands that depend essentially on the external noise (dynamic extrinsic). Previous studies have shown that separated flows are subject to self-induced oscillations of low frequency in incompressible regime. These studies have revealed links between the interaction of non-normal modes and low oscillations in an incompressible boundary-layer separation and it will be to establish the validity of this interpretation in a compressible regime. In this regard, non-reflecting boundary conditions have been developed to solve the eigenvalue problem formed by linearised Navier-Stokes equations. An absorbing region known as Perfectly Matched Layer has been implemented in order to damp acoustic perturbations which are generated when the compressibility of the flow is considered. A multi-domain approach using spectral collocation discretisation has also been developed in order to study the influence of this absorbing region on the stability analysis of an open cavity flow which is known to generate acoustic perturbations. Finally, we focused on separated boundary layer induced by a bump geometry in order to understand what are the effects of compressibility on the bidimensional low frequency phenomenon and also on transverse instabilities which are known to be unstable for a lots of separated flows.