O principal objetivo desta tese é estudar os efeitos inerciais e de pressão do escoamento médio sobre o próprio escoamento médio de jatos bi-dimensionais confinados. Os escoamentos considerados no presente trabalho são turbulentos, isotérmicos, incompressíveis e compostos por fluidos simples. A introdução e a revisão bibliográfica são feitas por meio da apresentação: das motivações tecnológicas e fundamentais para a escolha do tema da presente tese; do cenário no qual a abordagem adotada está inserida; dos parâmetros adimensionais usualmente adotados na literatura para caracterizar os jatos bidimensionais confinados (parâmetros clássicos); e dos dados experimentais levantados na literatura na forma de correlações semi-empíricas, e de perfis de propriedades do escoamento. A presente tese desenvolve uma abordagem integral e adimensional para jatos confinados. As hipóteses adotadas nesta abordagem são aquelas relativas a escoamentos em camada fina cisalhante, e a escoamentos não dissipativos. A abordagem é baseada em balanços integrais de massa e quantidade de movimento. Os termos de quantidade de movimento são classificados como inerciais ou de pressão; e como fluxos, forças ou fontes. Esta classificação permite analisar os efeitos considerados pelos parâmetros adimensionais clássicos. Os parâmetros clássicos não satizfazem simultaneamente às seguintes condições: ser baseado em uma superfície de controle fechada; e ter os efeitos inerciais e de pressão separados em parâmetros distintos. Desta forma, são desenvolvidos dois parâmetros adimensionais novos. Estes parâmetros novos são usados na definição de variáveis adimensionais cuja finalidade é obter uma regra de escalonamento apropriada. A regra de escalonamento desenvolvida é validada por meio de sua aplicação a três bancos de dados de literatura. Esta aplicação mostra a influência dos efeitos inerciais e de pressão sobre o escoamento. A qualidade dos dados experimentais de literatura e próprios também é avaliada pela aplicação desta mesma regra de escalonamento. O túnel de vento construído para estudo de jatos confinados axi-simétricos é apresentado por meio: dos requisitos de projeto; dos critérios de projeto; e da descrição dos componentes. Este túnel possui seção de teste com 300mm de diâmetro e 1500mm de comprimento; contração com razão de área de 4 : 1 e lanças de ar com diâmetros de 10mm, 40mm, 75mm e 150mm. Os procedimentos experimentais adotados na caracterização do escoamento do túnel de vento axi-simétrico incluem: a técnica de determinação do tensor das tensões de Reynolds e do vetor velocidade média em função de medições de velocidade média e de tensão normal de Reynolds em 6 direções distintas; a validação desta técnica; e as correções de posicionamento e de direcionamento do intrumento de medição. O instrumento de medição utilizado foi um anemômetro a laser (LDV). As principais contribuições da presente tese são as seguintes: redesenvolvimento dos parâmetros adimensionais clássicos de jatos confinados por meio de uma metodologia e nomenclatura unificada; proposição de dois parâmetros adimensionais para jatos confinados, um para efeitos inerciais e outro para efeitos de pressão; incremento do banco de dados experimentais referentes a jatos confinados; construção de um túnel de vento axi-simétrico para estudo de jatos confinados; e descoberta da existência de similaridade em jatos confinados com gradiente de pressão elevado. / The main objective of this thesis is to study the mean flow inertial and pressure effects on the mean flow itself in two-dimensional confined jets. The flows considered in the present work are turbulent, isothermal, incompressible and single-fluid. The introduction and the bibliographical review are done by the following presentations: technological and fundamental motivations for the choice of the thesis subject; the scene where the adopted approach is included; dimensionless parameters usually adopted in the literature for two-dimensional confined jets characterization (classic parameters); and experimental data found in literature as semi-empirical correlation, and as mean flow properties profiles. This thesis develops an integral and dimensionless approach for confined jets. The hypotheses adopted in such approach are the thin shear layer approximation, and the non-dissipative flow assumption. The approach is based on mass and momentum integral balances. The terms are classified as inertial or as pressure; and as flux, as force, or as source. Such classification allows the analysis of the effects considered by the dimensionless classic parameters. The classic parameters do not satisfy the following conditions simultaneously: to be based on a closed control surface; and to separate the inertial and pressure effects in distinct parameters. Due to this, two new dimensionless parameters are developed. The new dimensionless parameters are used in dimensionless variables definition whose purpose is to obtain a proper scaling rule. The developed scaling rule is validated applying it to three data banks from literature. This application shows the inertial and pressure effects on the flow. The quality of the literature and the own data bank is evaluated by this scaling rule application. The wind tunnel built for axi-symmetric confined jets studies is presented by: project requirements; project criteria; and components description. This tunnel has a test section with 300mm in diameter and 1500mm in length; contraction area rate of 4 : 1; and air guns with 10mm, 40mm, 75mm and 150mm in diameters. The procedures adopted in the axi-symmetric wind tunnel flow characterization include: the scheme to determine the Reynolds stress tensor and the mean velocity vector from mean velocity and normal Reynolds stress measurements in six distinct directions; this scheme validation; and the positioning and directioning probe corrections. The instrument used was a laser Doppler velocimeter. The main contributions of the present thesis are the following: redevelopment of the confined jets classic dimensionless parameters through an unified methodology and nomenclature; the proposition of two new confined jets dimensionless parameters, one for inertial effects and other for pressure effects. improvement of experimental data bank regarding confined jets; construction of an axi-symmetric wind tunnel for confined jet studies; and the discovery of the similarity existence in confined jets with high pressure gradient.

The search for quieter internal combustion engines drives the quest for a better understanding of the acoustic properties of engine duct components. Simulations are an important tool for enhanced understanding; they give insight into the flow-acoustic interaction in components where it is difficult to perform measurements. In this work the acoustics is obtained directly from a compressible Large Eddy Simulation (LES). With this method complex flow phenomena can be captured, as well as sound generation and acoustic scattering. The aim of the research is enhanced understanding of the acoustics of engine gas exchange components, such as the turbocharger compressor.In order to investigate methods appropriate for such studies, a simple constriction, in the form of an orifice plate, is considered. The flow through this geometry is expected to have several of the important characteristics that generate and scatter sound in more complex components, such as an unsteady shear layer, vortex generation, strong recirculation zones, pressure fluctuations at the plate, and at higher flow speeds shock waves. The sensitivity of the scattering to numerical parameters, and flow noise suppression methods, is investigated. The most efficient method for reducing noise in the result is averaging, both in time and space. Additionally, non-linear effects were found to appear when the amplitude of the acoustic velocity fluctuations became larger than around 1~\% of the mean velocity, in the orifice. The main goal of the thesis has been to enhance the understanding of the flow and acoustics of a thick orifice plate, with a jet Mach number of 0.4 to 1.2. Additionally, we evaluate different methods for analysis of the data, whereby better insight into the problem is gained. The scattering of incoming waves is compared to measurements with in general good agreement. Dynamic Mode Decomposition (DMD) is used in order to find significant frequencies in the flow and their corresponding flow structures, showing strong axisymmetric flow structures at frequencies where a tonal sound is generated and incoming waves are amplified.The main mechanisms for generating plane wave sound are identified as a fluctuating mass flow at the orifice openings and a fluctuating force at the plate sides, for subsonic jets. This study is to the author's knowledge the first numerical investigation concerning both sound generation and scattering, as well as coupling sound to a detailed study of the flow.With decomposition techniques a deeper insight into the flow is reached. It is shown that a feedback mechanism inside the orifice leads to the generation of strong coherent axisymmetric fluctuations, which in turn generate a tonal sound. / <p>QC 20121113</p>

O principal objetivo desta tese é estudar os efeitos inerciais e de pressão do escoamento médio sobre o próprio escoamento médio de jatos bi-dimensionais confinados. Os escoamentos considerados no presente trabalho são turbulentos, isotérmicos, incompressíveis e compostos por fluidos simples. A introdução e a revisão bibliográfica são feitas por meio da apresentação: das motivações tecnológicas e fundamentais para a escolha do tema da presente tese; do cenário no qual a abordagem adotada está inserida; dos parâmetros adimensionais usualmente adotados na literatura para caracterizar os jatos bidimensionais confinados (parâmetros clássicos); e dos dados experimentais levantados na literatura na forma de correlações semi-empíricas, e de perfis de propriedades do escoamento. A presente tese desenvolve uma abordagem integral e adimensional para jatos confinados. As hipóteses adotadas nesta abordagem são aquelas relativas a escoamentos em camada fina cisalhante, e a escoamentos não dissipativos. A abordagem é baseada em balanços integrais de massa e quantidade de movimento. Os termos de quantidade de movimento são classificados como inerciais ou de pressão; e como fluxos, forças ou fontes. Esta classificação permite analisar os efeitos considerados pelos parâmetros adimensionais clássicos. Os parâmetros clássicos não satizfazem simultaneamente às seguintes condições: ser baseado em uma superfície de controle fechada; e ter os efeitos inerciais e de pressão separados em parâmetros distintos. Desta forma, são desenvolvidos dois parâmetros adimensionais novos. Estes parâmetros novos são usados na definição de variáveis adimensionais cuja finalidade é obter uma regra de escalonamento apropriada. A regra de escalonamento desenvolvida é validada por meio de sua aplicação a três bancos de dados de literatura. Esta aplicação mostra a influência dos efeitos inerciais e de pressão sobre o escoamento. A qualidade dos dados experimentais de literatura e próprios também é avaliada pela aplicação desta mesma regra de escalonamento. O túnel de vento construído para estudo de jatos confinados axi-simétricos é apresentado por meio: dos requisitos de projeto; dos critérios de projeto; e da descrição dos componentes. Este túnel possui seção de teste com 300mm de diâmetro e 1500mm de comprimento; contração com razão de área de 4 : 1 e lanças de ar com diâmetros de 10mm, 40mm, 75mm e 150mm. Os procedimentos experimentais adotados na caracterização do escoamento do túnel de vento axi-simétrico incluem: a técnica de determinação do tensor das tensões de Reynolds e do vetor velocidade média em função de medições de velocidade média e de tensão normal de Reynolds em 6 direções distintas; a validação desta técnica; e as correções de posicionamento e de direcionamento do intrumento de medição. O instrumento de medição utilizado foi um anemômetro a laser (LDV). As principais contribuições da presente tese são as seguintes: redesenvolvimento dos parâmetros adimensionais clássicos de jatos confinados por meio de uma metodologia e nomenclatura unificada; proposição de dois parâmetros adimensionais para jatos confinados, um para efeitos inerciais e outro para efeitos de pressão; incremento do banco de dados experimentais referentes a jatos confinados; construção de um túnel de vento axi-simétrico para estudo de jatos confinados; e descoberta da existência de similaridade em jatos confinados com gradiente de pressão elevado. / The main objective of this thesis is to study the mean flow inertial and pressure effects on the mean flow itself in two-dimensional confined jets. The flows considered in the present work are turbulent, isothermal, incompressible and single-fluid. The introduction and the bibliographical review are done by the following presentations: technological and fundamental motivations for the choice of the thesis subject; the scene where the adopted approach is included; dimensionless parameters usually adopted in the literature for two-dimensional confined jets characterization (classic parameters); and experimental data found in literature as semi-empirical correlation, and as mean flow properties profiles. This thesis develops an integral and dimensionless approach for confined jets. The hypotheses adopted in such approach are the thin shear layer approximation, and the non-dissipative flow assumption. The approach is based on mass and momentum integral balances. The terms are classified as inertial or as pressure; and as flux, as force, or as source. Such classification allows the analysis of the effects considered by the dimensionless classic parameters. The classic parameters do not satisfy the following conditions simultaneously: to be based on a closed control surface; and to separate the inertial and pressure effects in distinct parameters. Due to this, two new dimensionless parameters are developed. The new dimensionless parameters are used in dimensionless variables definition whose purpose is to obtain a proper scaling rule. The developed scaling rule is validated applying it to three data banks from literature. This application shows the inertial and pressure effects on the flow. The quality of the literature and the own data bank is evaluated by this scaling rule application. The wind tunnel built for axi-symmetric confined jets studies is presented by: project requirements; project criteria; and components description. This tunnel has a test section with 300mm in diameter and 1500mm in length; contraction area rate of 4 : 1; and air guns with 10mm, 40mm, 75mm and 150mm in diameters. The procedures adopted in the axi-symmetric wind tunnel flow characterization include: the scheme to determine the Reynolds stress tensor and the mean velocity vector from mean velocity and normal Reynolds stress measurements in six distinct directions; this scheme validation; and the positioning and directioning probe corrections. The instrument used was a laser Doppler velocimeter. The main contributions of the present thesis are the following: redevelopment of the confined jets classic dimensionless parameters through an unified methodology and nomenclature; the proposition of two new confined jets dimensionless parameters, one for inertial effects and other for pressure effects. improvement of experimental data bank regarding confined jets; construction of an axi-symmetric wind tunnel for confined jet studies; and the discovery of the similarity existence in confined jets with high pressure gradient.

In der vorliegenden Arbeit wurden Strömungen räumlich begrenzter Strahlen untersucht. Zum einen wurde die Ausströmung eines runden Strahls in ein Rohr betrachtet, der sog. begrenzte Strahl. Zum anderen wurde die Ausströmung von 7 hexagonal angeordneten runden Strahlen in ein Rohr betrachtet, das sog. hexagonale Strahlbündel. Die Motivation zur vorliegenden Arbeit ergab sich aus der Entwicklung von Durchflussmessgeräten, die als Bypassapparaturen ausgeführt sind und stromabwärts des Staudruckkörpers ein Strömungsgebiet mit begrenzten Strahlen aufweisen. Dafür wurden mit Hilfe der Ähnlichkeitstheorie die zugrundeliegenden Kennzahlen bestimmt. Besonderes Augenmerk lag auf der Charakterisierung der instationären bzw. turbulenten Strömungseigenschaften für Reynolds-Zahlen zwischen 1.000 und 20.000. Es wurden die selbstähnlichen Eigenschaften der Strömungen untersucht, wobei sich insbesondere für den begrenzten Strahl wichtige Erkenntnisse ergaben. Für das hexagonale Strahlbündel wurden mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation die grundlegenden Eigenschaften des Strömungsfeldes untersucht. Dabei weisen die Geometriekennzahlen einen dominierenden Einfluss auf. So konnten in Abhängigkeit zum Durchmesserverhältnis und Strahlabstand drei Strömungsformen identifiziert und experimentell mittels Laser-Doppler Anemometrie nachgewiesen werden. Eine wesentliche Fragestellung bestand in der Anwendung der numerischen Strömungssimulation, des RANS-Ansatzes und des SST-Turbulenzmodells. Dazu wurde die Anpassung der Modellkoeffizienten untersucht, wobei für den begrenzten Strahl ein allgemein gültiger Satz gefunden wurde. / In the present work flows of spatially limited radiation were investigated. On the one hand, the outflow of a round jet into a pipe was considered, the so-called confined jet. On the other hand, the outflow of 7 hexagonal arranged round jets into a pipe was con-sidered, the so-called hexagonal jet array. The motivation for the present work arose from the development of flowmeters which are designed as bypass apparatures that have a jet array flow downstream of the dynamic pressure body. For this purpose the underlying similarity parameters were determined. Special attention was paid to the cha-racterization of transient and turbulent flow properties for Reynolds numbers between 1,000 and 20,000. The self-similar properties of the flows were investigated with im-portant findings in particular for the confined jet. For the hexagonal jet array the basic properties of the flow field were investigated by using computational fluid dynamics. The geometric similarity parameters have a dominant influence. Thus, depending on the di-ameter ratio and jet distance ratio, three flow patterns could be identified and experimen-tally detected by the use of laser Doppler anemometry. An important question was the application of the computational fluid dynamic method, the RANS approach and the SST turbulence model. For this purpose a generally valid set of model coefficients was found for the confined jet flow.