<p dir="ltr">Pressure transducer, infrared heat transfer, and schlieren imaging data for a flared cone and cone-cylinder-flare in Mach 6 quiet flow are presented. Flared cone pressure transducer results show second-mode RMS values comparable to that found in prior experimental work. Second-mode frequency is found to linearly increase with increasing freestream unit Reynolds number, and frequency varies little between sensors for a given freestream unit Reynolds number. Turbulent intermittency begins to increase at a freestream unit Reynolds number 2x10⁶/m greater than the unit Reynolds number corresponding to peak second-mode RMS. peak RMS. High-speed schlieren imaging on the downstream section of the flared cone shows the second-mode disturbance following trends in power which correlate with PCB RMS. Infrared heat transfer results contain the azimuthal heating streak pattern observed for the flared cone in prior research, but the hot-cold-hot streak pattern is not seen due to limited model length. Streak heating occurs downstream of second-mode peak RMS over the freestream unit Reynolds number range of 6.4x10⁶/m to 10.4x10⁶/m. The heat transfer of streaks is found to vary significantly from streak to streak, while mean streak heating variation with freestream unit Reynolds number is small.</p><p dir="ltr">PCB results of the cone-cylinder-flare show intermittent turbulence at a freestream unit Reynolds number of 16.0x10⁶/m. Examination of shear-layer and second-mode instabilities show significant increases in RMS moving downstream along the flare and with increasing freestream unit Reynolds number. High-speed schlieren imaging of the shear-layer reattachment region on the flare show the presence of the shear-layer and second-mode instabilities when the model is configured with a sharp nose tip. The instabilities are not present with a blunt 5 mm radius nose tip. Heat transfer is observed to increase along the downstream portion of the flare. The sharp nose tip configuration has higher heat transfer rates than the 5 mm radius nose tip configuration.</p>

Resumen Los sistemas de inyección directa han sido uno de los principales puntos focales de la investigación en motores, particularmente en sistemas Diésel, donde la geometría interna, movimiento de aguja y comportamiento del flujo afectan el spray externo y por tanto determinan completamente el proceso de combustión dentro del motor. Debido a regulaciones medioambientales y al potencial de los (más ineficientes) motores "Otto", grandes esfuerzos se están aportando en investigación sobre sistemas de inyección directa de gasolina. Los motores GDi tienen el potencial de incrementar sustancialmente la economía de combustible y cumplir con las regulaciones de gases contaminantes y de efecto invernadero, aunque aún existen muchos desafíos por delante. Esta tesis estudia en detalle una moderna tobera GDi que fue específicamente diseñada para el grupo de investigación conocido como Engine Combustion Network (ECN). Con metodologías punteras, este inyector ha sido usado en un amplio abanico de instalaciones experimentales para caracterizar el flujo interno y varias características clave de geometría y funcionamiento, y aplicarlo para evaluar cómo se relaciona con los efectos observados del comportamiento del chorro externo. Para la caracterización interna del flujo, el objetivo ha sido determinar la geometría de la tobera y el desplazamiento de aguja, caracterizar la tasa de inyección y el flujo de cantidad de movimiento, y evaluar el flujo cercano. Algunas metodologías nunca antes habían sido empleadas en inyectores GDi, y muchas otras lo han sido solo eventualmente. Para la geometría interna, el levantamiento de aguja y el flujo cercano, varias técnicas avanzadas con rayos-x fueron aplicadas en las instalaciones de Argonne National Laboratory. Para la tasa de inyección y flujo de cantidad de movimiento, las técnicas disponibles en el departamento han sido adaptadas desde Diésel y aplicadas en inyectores GDi multiorificio. Dado lo novedoso de las técnicas aplicadas, las particularidades de las metodologías han sido discutidas en detalle en el documento. Aún con la elevada turbulencia del flujo interno, el inyector se comporta de forma consistente inyección a inyección, incluso cuando el estudio se centra en la variabilidad orificio a orificio. Esto ha sido atribuido al comportamiento repetitivo de la aguja, evaluado en los experimentos. También fue observado que el flujo estabilizado tiene una variación de alta frecuencia que no pude ser explicado por el movimiento de la aguja, sino por el particular diseño de las toberas. El análisis de geometría interna realizado a ocho toberas nominalmente iguales resultó en la obtención de un punto vista único en la construcción de toberas y la variabilidad de dimensiones clave. Las medidas de tasa de inyección permitieron estudiar la respuesta hidráulica del inyector a varias variables como la presión de inyección, presión de descarga, temperatura de combustible y la duración de la señal de comando. Estas medidas fueron combinadas con medidas de flujo de cantidad de movimiento para estudiar el bajo valor del coeficiente de descarga, el cual fue atribuido al bajo levantamiento de aguja y coeficiente L/D de los orificios. Por otro lado, el estudio del spray externo resultó en la identificación de un importante fenómeno específico a este particular hardware, el colapso del spray. Las extensivas campañas experimentales, utilizando Schlieren e iluminación trasera difusa (DBI) permitieron identificar y describir las características macroscópicas del spray y las condiciones bajo las que el colapso ocurre. El colapso del spray se forma por una combinación de interacción de las diferentes plumas (causado por el flujo interno) y determinadas condiciones ambiente que promueven evaporación y entrada de aire. Fue determinado que a niveles de densidad y temperatura moderados se desarrolla el colapso, modificando completamente el comportamiento espera / Abstract Fuel injection systems have been one of the main focal points of engine research, particularly in Diesel engines, where the internal geometry, needle lift and flow behavior are known to affect the external spray an in turn completely determine the combustion process inside engines. Because of environmental regulation and the potential development of the more inefficient Otto engines, a lot of research efforts are currently focused into gasoline direct injection systems. GDi engines have the potential to greatly increase fuel economy and comply with pollutant and greenhouse gases emissions limits, although many challenges still remain. The current thesis studies in detail a modern type of GDi nozzle that was specifically developed for the international research group known as the Engine Combustion Network (ECN). With the objective of employing state-of-the-art techniques, this hardware has been used in a wide range of experimental facilities in order to characterize the internal flow and several geometrical and constructive aspects like needle lift; and assess how it relates to the effects seen external spray. For the internal flow characterization, the goal was to determine the nozzle geometry and needle displacement, to characterize the rate of injection and rate of momentum, and evaluate the near-nozzle flow. Some methodologies applied here have never been applied to a GDi injector before, and many have only been applied rarely. For the internal geometry, needle lift and near-nozzle flow, several advanced x-rays techniques were used at Argonne National Laboratory. For the rate of injection and rate of momentum measurements, the techniques available in CMT-Motores Térmicos have been adapted from Diesel spray research and brought to multi-hole GDi injectors. Given the novelty of the techniques used, the particular methodologies and setups are discussed in detail. Despite the high turbulence of the flow, it was seen that the injector behaves consistently injection to injection, even when studying variation in individual holes. This is attributed to the repetitive behavior of the needle that was observed in the experiments. It was also observed that the stabilized flow has a high frequency variability that could not be explained by random movement of the needle, but rather by the particular design of the nozzle. The geometrical analysis done to eight, nominally equal nozzles, allowed a unique view into the construction of the nozzle and provided insights about the variability of key dimensions. The rate of injection measurements allowed to study the hydraulic response of the injector to the main variables like rail pressure, discharge pressure, fuel temperature and command signal duration. These measurements were combined with the rate of momentum measurements to study the low value of the discharge coefficient, that ultimately was attributed to the low needle lift and low L/D ratio of the orifices. On the other hand, the study of the external spray yielded the identification of very important phenomena specific to this particular hardware, the spray collapse. The extensive experimental campaigns featuring shadowgraph (Schlieren) and Diffused Back Illumination (DBI) visualization techniques allowed identifying and describing the macroscopic characteristics of the spray and the conditions under which the collapse occurs. The spray collapse engenders from a combination of the internal flow that creates plume interaction, and ambient conditions that promote air entrainment and evaporation. At moderate density and temperature levels the collapse develops, completely modifying the expected trends in the behavior of the plumes. / Resum Els sistemes d'injecció directa han sigut un dels principals punts focals de la investigació en motors, particularment en sistemes dièsel, en què la geometria interna, el moviment de l'agulla i el comportament del flux afecten l'esprai extern i per tant determinen completament el procés de combustió dins del motor. Degut a regulacions mediambientals i al potencial dels (més ineficients) motors "Otto", grans esforços s'estan aportant en investigació sobre sistemes d'injecció directa de gasolina. Els motors GDi tenen el potencial d'incrementar substancialment l'economia del combustible i complir les regulacions de gasos contaminants i d'efecte hivernacle, encara que existeixen molts desafiaments per davant. Esta tesi estudia en detall una moderna tovera GDi que va ser especialment dissenyada per al grup d'investigació conegut com a ECN. Amb l'objectiu de desenvolupar metodologies punteres, este injector ha sigut usat en un ampli ventall d'instal·lacions experimentals per tal de caracteritzar el flux intern i diverses característiques clau de la seua geometria i funcionament, per tal d'avaluar com es relacionen amb els efectes observats del comportament de l'esprai extern. Per a la caracterització interna del flux, l'objectiu ha sigut determinar la geometria de la tovera i el desplaçament de l'agulla, caracteritzar la taxa d'injecció i el flux de quantitat de moviment, i avaluar el flux proper. Algunes metodologies no s'havien empleat abans en injectors GDi, i moltes altres ho han sigut únicament de manera eventual. Per a la geometria interna, l'alçament de l'agulla i el flux proper, s'han aplicat diverses tècniques avançades amb raigsx a les instal·lacions d'Argonne National Laboratory. Per a la taxa d'injecció i el flux de quantitat de moviment, les tècniques disponibles al departament han sigut adaptades des de Dièsel i aplicades a injectors GDi multi-orifici. Considerant la novetat de les tècniques aplicades, les particularitats de les metodologies es discuteixen en detall al document. A pesar de l'elevada turbulència del flux intern, l'injector es comporta de manera consistent injecció a injecció, inclús quan l'estudi se centra en la variabilitat orifici a orifici. Aquest fet s'ha atribuït al comportament repetitiu de l'agulla, avaluat als experiments. També es va observar que el flux estabilitzat té una variació d'altra freqüència que no pot ser explicat pel moviment de l'agulla, sinó pel particular disseny de les toveres. L'anàlisi de la geometria interna realitzat a vuit toveres nominalment iguals va permetre obtenir un punt de vista únic en la construcció de toveres i la variabilitat de dimensions clau. Les mesures de taxa d'injecció van permetre estudiar la resposta hidràulica de l'injector a diverses variables com la pressió d'injecció, la pressió de descàrrega, la temperatura del combustible i la duració de la senyal de comandament. Estes mesures van ser combinades amb mesures de flux de quantitat de moviment per tal d'estudiar el baix valor del coeficient de descàrrega, el qual va ser atribuït al baix alçament de l'agulla i al coeficient L/D dels orificis. D'altra banda, l'estudi de l'esprai extern va permetre identificar un important fenomen específic d'aquest hardware particular: el col·lapse de l'esprai. Les extensives campanyes experimentals, utilitzant Schlieren i il·luminació darrera difusa (DBI) van permetre identificar i descriure les característiques macroscòpiques de l'esprai i les condicions sota les quals el col·lapse té lloc. El col·lapse de l'esprai es forma per una combinació d'interacció de les diverses plomes (causat pel flux intern) i determinades condicions ambient que promouen evaporació i entrada d'aire. Es va determinar a quins nivells de densitat i temperatura moderats es desenvolupa el col·lapse, modificant completament el comportament esperat de l'esprai. / Vaquerizo Sánchez, D. (2018). Study on Advanced Spray-Guided Gasoline Direct Injection Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/99568

En la exploración de nuevos métodos para el mejoramiento de la eficiencia y rendimiento del motor diésel, es claro que un gran esfuerzo debe estar enfocado en el proceso de inyección de combustible. La eficiencia de la combustión y las emisiones, se ven muy afectadas por el proceso de atomización, y se ha demostrado que incrementos en presiones de inyección conllevan un gran potencial para mejorar el ahorro de combustible, producir mejores mezclas de aire y combustible, y por tanto menor generación de emisiones contaminantes. Últimamente, las presiones de inyección han aumentado de alrededor de 50 MPa en los años 70 hasta 250 MPa en los días actuales. Presiones de inyección muy altas (250-300 MPa) o incluso ultra altas (> 300 MPa) vienen siendo materia de investigación con el fin de ser implementadas de manera comercial en un futuro próximo. La estructura y desarrollo del spray diésel pueden ser caracterizados desde un punto de vista microscópico por medio de la medición del tamaño de gotas del spray y sus velocidades. En condiciones no-evaporativas, técnicas como el PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) vienen siendo utilizadas para la obtención de perfiles de diámetros y velocidades de gota con una alta resolución temporal. Desde el punto de vista macroscópico, existen parámetros específicos que permiten caracterizar a un chorro diésel, estos son: la penetración de vapor y líquida junto con el ángulo de apertura del chorro. La penetración líquida es un indicador claro de la capacidad de evaporación del combustible utilizado, mientras que la penetración de vapor, por su parte, es indicativo del proceso de mezcla y la probabilidad de colisión con las paredes de la cámara de combustión; factores claves a la hora de la generación de emisiones contaminantes. En esta tesis se estudia la influencia de presiones bajas, medias y muy altas presiones inyección, sobre un amplio espectro de condiciones y diagnósticos experimentales, y desde el punto de vista macroscópico y microscópico. Se realizaron experimentos para tres diferentes inyectores, 2 solenoides y un piezo eléctrico, este último con la capacidad de alcanzar presiones de inyección cercanas a 270 MPa. Las medidas incluyen una caracterización hidráulica, compuesta por tasa de inyección; una visualización de alta velocidad del chorro líquido isotermo; una visualización de alta velocidad del chorro inerte evaporativo, con captura simultánea de las fases líquida y vapor; y finalmente, una caracterización microscópica por medio de la obtención de distribución de tamaño de gotas y sus velocidades. Con respecto a los ensayos microscópicos, se desarrolló una metodología para el aislamiento y alineación de sprays con un error de medición muy bajo de 0,22°. Se llevaron a cabo mediciones de velocidad de gotas, cuyos resultados mostraron buen ajuste con perfiles teóricos de velocidad. De igual manera, una correlación para el tamaño de gota SMD se obtuvo mostrando un alto nivel de ajuste y siendo representativa para todo el rango de presiones de inyección estudiados. En el caso de la caracterización macroscópica del chorro isotermo, se han detectado variaciones macroscópicas en el desarrollo del chorro con propiedades de gas, inclusive en condiciones de motor comunes. Para estimar estos efectos y otros que las presiones de inyección muy altas tendrían sobre la estructura del chorro, se incentivó la aparición de ondas de choque controlando la velocidad del sonido del ambiente. Se usaron tres gases ambientales (SF6 N2 y CO2) con diferentes velocidades de sonido, promoviendo de esta manera chorros supersónicos en determinados casos. Al comparar ensayos con mismas densidades y diferentes gases ambientales, se encontró que todas las tendencias cercanas al estado transónico (0.8 <M <1.2) tenían una mayor penetración y menor ángulo de chorro. / En l'exploració de nous mètodes per al millorament de l'eficiència i rendiment del motor dièsel, és clar que un gran esforç s'ha enfocar en el procés d'injecció de combustible. L'eficiència de la combustió i les emissions, es veuen molt afectades pel procés d'atomització, i s'ha demostrat que increments en pressions d'injecció comporten un gran potencial per a millorar l'estalvi de combustible, produir millors mescles d'aire i combustible, i per tant menor generació d'emissions contaminants. Últimament, les pressions d'injecció han augmentat d'al voltant de 50 MPa en els anys 70 fins a 250 MPa en els dies actuals. Pressions d'injecció molt altes (250-300 MPa) o inclús ultra altes (> 300 MPa) vénen sent matèria d'investigació a fi de ser implementades de manera comercial en un futur pròxim. L'estructura i desenrotllament de l'esprai dièsel poden ser caracteritzats des d'un punt de vista microscòpic per mitjà del mesurament de la grandària de gotes de l'esprai i les seues velocitats. En condicions no-evaporatives, tècniques com el PDPA (Phase doppler particle analyzer) vénen sent utilitzades per a l'obtenció de perfils de diàmetres i velocitats de gota amb una alta resolució temporal. Des del punt de vista macroscòpic, hi ha paràmetres específics que permeten caracteritzar a un doll dièsel, estos són: la penetració de vapor i la penetració líquida junt amb l'angle d'obertura del doll. La penetració líquida és un indicador clar de la capacitat d'evaporació del combustible utilitzat, mentres que la penetració de vapor, per la seua banda, és indicatiu del procés de mescla i la probabilitat de col·lisió amb les parets de la cambra de combustió; factors claus a l'hora de la generació d'emissions contaminants. En esta tesi s'estudia la influència de pressions d' injecció baixes, mitges i molt altes, sobre un ampli espectre de condicions i diagnòstics experimentals, i des del punt de vista macroscòpic i microscòpic. Es van realitzar experiments per a tres injectors diferents, 2 solenoides i un piezo elèctric, este últim amb la capacitat d'aconseguir pressions d'injecció pròximes a 270 MPa. Les medides inclouen una caracterització hidràulica, composta per taxa d'injecció; una visualització d'alta velocitat del doll líquid isoterm; una visualització d'alta velocitat del doll inert evaporativo, amb captura simultània de les fases líquida i vapor; i finalment, una caracterització microscòpica per mitjà de l'obtenció de distribució de grandària de gotes i les seues velocitats. Respecte als assajos microscòpics, es va desenrotllar una metodologia per a l'aïllament i alineació d'esprais amb un error de mesurament molt davall de 0,22°. Es van dur a terme mesuraments de velocitat de gotes, els resultats van mostrar bon ajust amb perfils teòrics de velocitat. De la mateixa manera, una correlació per a la grandària de gota SMD es va obtindre mostrant un alt nivell d'ajust i sent representativa per a tot el rang de pressions d'injecció estudiats. En el cas de la caracterització macroscòpica del doll isoterm, s'han detectat variacions macroscòpiques en el desenrotllament del doll amb propietats de gas, inclusivament en condicions de motor comú. Per a estimar estos efectes i altres que altes pressions d'injecció tindrien sobre l'estructura del doll, es va incentivar l'aparició d'ones de xoc controlant la velocitat del so de l'ambient. Es van usar tres gasos ambientals (SF6, N2 i CO2) amb diferents velocitats de so, promovent d'esta manera dolls supersònics en determinats casos. Al comparar assajos amb mateixes densitats i diferents gasos ambientals, es va trobar que totes les tendències pròximes a l'estat transónic (0.8 < M < 1.2) tenien una major penetració i menor angle de doll. Respecte al doll evaporatiu, per a pressions d'injecció molt altes com 270MPa, els efectes dels paràmetres ambientals i d'injecció van romandre iguals respecte a totes les carac / In the exploration of new methods for improving the efficiency and performance of the diesel engine, it is clear that a great effort should be focused on the fuel injection process. The efficiency of combustion and emissions are greatly affected by the atomization process, and it is considered that injection pressures increments have a great potential to improve fuel economy, produce better air and fuel mixtures, and thus low generation of polluting emissions. Lately, injection pressures have increased from around 50 MPa in the 70's to 250 MPa in the current days, even very high injection pressures (250-300 MPa) or ultra high pressures (> 300 MPa) have been the subject of the scientific community in order to be implemented in future injection systems. The structure and development of the diesel spray can be characterized from a microscopic point of view by means of estimation of droplets size and velocities. At non-evaporative conditions, techniques such as PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) are being used to obtain diameters and velocity profiles a with high temporal resolution. From the macroscopic point of view, there are specific parameters that allow characterizing the diesel spray, these are: the liquid and vapor penetration along with the spray angle. The liquid penetration is a clear indicator of the evaporation capacity of the fuel used, whilst the vapor penetration, on the other hand, is an indicative of the mixing process and the probability of collision with the combustion chamber walls; key factors when generating polluting emissions. In this thesis the influence of low and very high injections pressures over the macro and micro characteristics of the diesel spray is studied, over a wide spectrum of conditions and experimental diagnoses. Experiments were carried out for three different injectors, two solenoids and one piezoelectric, the latter with the capacity to reach injection pressures close to 270MPa. The measurements include a hydraulic characterization; a high speed visualization of the liquid spray at isothermal conditions; a high-speed visualization of the evaporative spray, with simultaneous capture of the liquid and vapor phases; and finally, a microscopic characterization. Regarding the microscopic tests, a methodology was developed for the spray isolation and alignment with a very low measurement error of 0.22° Droplets velocity measurements were carried out, the results showed good adjustment with theoretical velocity profiles. Similarly, a correlation for SMD droplet size was obtained showing a high level of adjustment and being representative for the entire range of injection pressures studied. In the case of the macroscopic characterization of the isothermal spray, variations have been detected in the development of the jet with gas properties, even at common engine injection conditions. To estimate these effects and others that very high injection pressures would have on the spray structure, the apparition of shock waves was enhanced by controlling the speed of sound of the environment using three ambient gases with different speed of sound (SF6, N2 and CO2). When comparing tests with same densities and different ambient gases, it was found that all the tendencies near the transonic state (0.8 <M <1.2) had a higher penetration and lower spray angle. With respect to the evaporative jet, for very high injection pressures like 270MPa, the effects of the environmental and injection parameters remained the same with respect to all the macroscopic characteristics. / Giraldo Valderrama, JS. (2018). Macroscopic and microscopic characterization of non-reacting diesel sprays at low and very high injection pressures [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113643

Le bruit généré par la détente d'un écoulement sous pression à travers des plaques multi-perforées ou des diaphragmes est étudié expérimentalement. Cette analyse est menée sur deux configurations géométriques distinctes dans lesquelles la plaque perforée est placée à la sortie d'un conduit cylindrique (configuration de jet libre) ou à l'intérieur de celui-ci (configuration de jet confiné).Dans un premier temps, une étude paramétrique acoustique est effectuée pour ces deux configurations en variant les caractéristiques géométriques des plaques perforées et les points de fonctionnement dans des régimes subsoniques et supersoniques. Les différentes sources de rayonnement pouvant apparaitre sur de tels systèmes de détente, sont alors identifiées. Par ailleurs, les effets acoustiques de chacun des paramètres géométriques sont mis en lumière, offrant ainsi une aide à la conception silencieuse de tels systèmes. Dans un second temps, l'intérêt est porté sur l'analyse de la composante à large bande dominante: le bruit de mélange. Cette étude est menée sur la configuration de jet libre et s'appuie sur des visualisations strioscopiques ainsi que sur des mesures de vélocimétrie par image de particules couplées à des acquisitions acoustiques en champ lointain. Dans le cas des diaphragmes, les différents résultats mettent en évidence des mécanismes sources du bruit de mélange similaires à ceux observés dans la littérature pour les jets isolés issus de tuyères. Le rayonnement à l'aval, dominant, est généré par l'interaction de grosses structures turbulentes cohérentes à la fin du cône potentiel du jet, tandis que dans les autres directions, le bruit est généré par la turbulence de petite échelle dans les couches de cisaillement du jet.Pour les plaques multi-perforées, des mécanismes comparables sont également identifiés. Néanmoins, selon la géométrie de ces plaques, deux zones sources distinctes du rayonnement aval sont identifiées favorisant l'apparition de deux bosses dans les spectres en champ lointain. Dans le cas de perforations éloignées, la bosse à plus haute fréquence domine le spectre aval et l'interaction des grosses structures turbulentes se produit au niveau de la fin du cône potentiel des jets. Lorsque les perforations sont en revanche proches, c'est la bosse à basse fréquence qui domine et l'interaction des grosses structures turbulentes cohérentes semble se produire près de la fin du cône potentiel du gros jet équivalent formé à l'aval à partir du mélange de l'ensemble des jets issus des perforations. Dans les autres directions, l'espacement des perforations joue également un rôle important sur le rayonnement acoustique, du fait d'une interaction plus ou moins rapide des jets entre eux. Cela a alors pour effet de modifier les zones de cisaillement et en conséquence le rayonnement acoustique de la même manière que dans la direction aval. / The noise generated by the expansion of a pressurized flow through multi-perforated plates or diaphragms is experimentally investigated. The analysis is conducted on two distinct geometrical configurations in which the perforated plate is placed at the outlet of (free jet configuration) or inside (ducted jet configuration) a cylindrical duct.Firstly, an acoustic parametric study is carried out on these two configurations for various perforated plate geometries and for a number of operating points ranging from subsonic to supersonic. The different acoustic sources that can arise from such systems are thus identified. Furthermore, the effect of each geometrical parameter onto the radiated sound field is highlighted, thus providing guidelines for the silent design of such pressure release devices.In a second step, the focus is on the dominant broadband component, that is, the mixing noise. This part of the study is dedicated to the free jet configuration and is based on Schlieren imaging, as well as on Particle Image Velocimetry measurements, both coupled far-field sound measurements.In the diaphragm cases, the aerodynamic results show that the source mechanisms are similar to those reported in the literature about isolated jets from conventional nozzles. The downstream radiation is generated by the interaction of large coherent structures at the end of the jet potential core, while in the other directions it is generated by the small-scale turbulence from the shear layer.For multi-perforated plates, comparable mechanisms are also observed. However, depending on the plate geometry, two distinct source regions contributing to the downstream radiation are identified. They explain the presence of two broadband humps in the far-field spectra. In the case of widely spaced perforations, the higher frequency hump in the downstream spectrum increases and the interaction of the large turbulent structures occurs mainly at the end of the potential core of the small jets issuing the perforations. Conversely, when these perforations are close to each other, the small jets rapidly merge into a single larger one that has a longer potential core. As a result, larger coherent structures interact downstream of the small jet mixing region and therefore, a low-frequency hump dominates the downstream spectrum. In the other directions, the perforation spacing has also a significant impact on the acoustic radiation, due to a more or less rapid interaction of the jets. Consequently, the turbulence, as well as the shear zones of the various mixing layers, are modified. The geometric parameters thus have similar effects on the cross-stream as on the downstream radiation.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit propose une analyse expérimentale du dé-veloppement spatio-temporel d’une zone de mélange (air/hélium) initiée par instabilité deRichtmyer-Meshkov (IRM). Cette étude s’appuie sur la mise en oeuvre d’un tube à chocspositionné verticalement et sur le développement d’un nouveau protocole expérimental associéà un système innovant de génération de l’interface initiale entre les deux espèces gazeuses enprésence. Ce système est basé sur un dispositif d’obturation/ouverture composé d’un rideau rigiderétractable et d’une série volets mobiles. La caractérisation de l’interface initiale et de l’évolutionspatio-temporelle de la zone de mélange ainsi obtenue est effectuée en exploitant les résultats dedifférentes techniques de mesures telles que la visualisation strioscopique (Schlieren) résolue entemps, la tomoscopie plan laser (TPL) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Enpremier lieu, différentes campagnes de mesures visant à caractériser l’interface initiale ont permisde quantifier la répétabilité du système et de démontrer ses capacités à générer une interfacepériodique faiblement diffuse. Dans un second temps, une étude du mélange gazeux obtenu pourun jeu de paramètres expérimentaux donné, est proposée. L’analyse s’intéresse en particulieraux mécanismes d’initiation et de transition a la turbulence de la zone de mélange produite parl’IRM. L’interaction entre cette zone de mélange en cours de développement et le choc réfléchisur l’extrémité supérieure du tube (phénomène de rechoc) est également étudiée dans l’optique deconfirmer la transition turbulente de la zone de mélange. / This work proposes an experimental analysis of the spatio-temporal development of an air/heliummixing zone promoted by the Richtmyer-Meshkov instability (RMI). This study relies on the useof a vertical shock tube and on the development of a new experimental protocol associated with aninnovative device for the generation of an initial interface between two gazeous species. This deviceconsists a rigid retractable curtain and of a series of rotating shutters. The characterization ofthis initial interface and the spatio-temporal evolution of the RMI-induced mixing zone is carriedout by exploiting the results of various experimental methods such as time resolved Schlierenvisualizations, planar laser mie scattering and Particle Image Velocimetry (PIV). In a first step,various measurement campaigns have made it possible to quantify the repeatability of the newdevice and to demonstrate its ability to generate a periodic, weakly diffused interface. In a secondstep, a study of the gaseous mixing for a given set of experimental parameters is proposed. Theanalysis focuses on the understanding of the underlying mechanisms driving the gaseous interfaceformation and the transition to turbulence of the RMI-induced mixing. The interaction betweenthis mixing zone and the reflected shock from the upper end of the tube (re-shock phenomenon)is also studied in order to confirm the turbulent transition of the mixing zone.

Die vorwiegend experimentelle Arbeit befasst sich mit der systematischen Untersuchung von Parametervariationen bei der aktiven Strömungskontrolle mit elektromagnetischen Kräften. An einer angestellten Platte und einem NACA0015-Profil wurde die saugseitige abgelöste Strömung durch das Einbringen einer periodischen wandparallelen Lorentzkraft an der Vorderkante beeinflusst und experimentell mittels zeitaufgelöster Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht. Dabei wurde für verschiedene Anstellwinkel und Reynoldszahlen die Frequenz der Anregung, deren Impulseintrag und der zeitliche Kraftverlauf variiert. Strömungsmechanische Untersuchungen experimenteller und numerischer Natur wurden für eine elektrochemische Zelle und den Fall der Elektrolyse an Millieelektroden unter dem Einfluss externer Magnetfelder durchgeführt. Die Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Geschwindigkeitsfelder war dabei sehr gut. Entgegen der Annahme, dass im Falle homogener Magnetfelder keine Strömungen induziert werden, konnte nachgewiesen werden, dass durch die lokale Krümmung der elektrischen Feldlinien in Elektrodennähe starke Lorentzkräfte generiert werden. Dies führt zu sehr komplexen Primär-und Sekundärströmungen. Die gleichen Effekte bewirken ebenfalls in der Nähe von Millieelektroden starke Lorentzkräfte in homogenen magnetischen Feldern. Die experimentellen Beobachtungen an Millieelektroden von Leventis et. al (2005), welche zum Beweis der Konzentrationsgradientenkraft herangezogen wurden, konnten alle auf das Wirken lokaler Lorentzkräfte zurückgeführt werden. Der experimentelle Nachweis der Konzentrationsgradientenkraft steht damit weiterhin aus. Zur Messung der Konzentrationen in elektrochemischen Systemen wurde erstmals das Hintergrundschlierenverfahren angewendet. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung der räumlichen Konzentrationsgradienten mit erheblich weniger messtechnischen Aufwand gegenüber spektroskopischen Methoden und der Schlierentechnik.

Ce travail s’intéresse à l’analyse expérimentale du développement de la zone de mélange turbulente (ZMT) produite par une instabilité de Richtmyer-Meshkov (IRM). Les expériences sont réalisées au sein d’un tube à chocs vertical, et l’analyse s’appuie sur des mesures simultanées mettant en œuvre des techniques expérimentales de type capteurs de pression pariétaux, visualisations strioscopiques résolues en temps et mesures de vitesse par Vélocimétrie Laser Doppler (LDV). Une caractérisation de l’installation expérimentale est tout d’abord effectuée en situation homogène (air pur, sans mélange), afin de déterminer la qualité de l’écoulement de base et connaître le niveau de turbulence de fond du tube à chocs. Les configurations de mélange, principalement entre de l’air et de l’hexafluorure de soufre (SF6), sont ensuite abordées. On s’intéresse dans un premier temps aux caractéristiques globales de la zone de mélange : en particulier à l’évolution de son épaisseur et à son taux de croissance. Plusieurs configurations de mélange sont étudiées en faisant varier différents paramètres expérimentaux tels que la hauteur de la veine d’essais du tube à chocs, la forme de la perturbation initiale de l’interface entre les deux gaz et le nombre d’Atwood, dans le but de déterminer leur influence sur le développement de la ZMT. On montre ainsi une sensibilité du taux de croissance post-rechoc à plusieurs de ces paramètres. Des comparaisons avec des simulations numériques réalisées par nos partenaires du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) montrent des tendances similaires entre expériences et simulations sur ce point. L’étude est ensuite complétée par une caractérisation plus locale de la ZMT, en mesurant les niveaux de turbulence en différents points de la veine d’essais à l’aide de la LDV. Après avoir quantifié les contraintes de convergence statistique imposées par l’expérience pour ce type de mesures, on donne une estimation des intensités turbulentes produites par l’écoulement de mélange à différents stades de son développement. / This experimental study sheds some light on the development of the turbulent mixing zone (TMZ) arising from a Richtmyer-Meshkov instability (RMI). The experiments are conducted in a vertical shock tube, and the analysis relies on simultaneous measurements involving pressuretransducers, time-resolved Schlieren visualizations and Laser Doppler Velocimetry (LDV). In a first step, a thorough characterization of the experimental apparatus is conducted in order to qualify the basic flow configuration corresponding to homogeneous situations (pure air withoutmixing), and to evaluate the « background » turbulence level of the shock tube. Mixing configurations (mainly between air and sulfur hexafluoride, SF6) are then investigated. We first focus on a global description of the mixing zone such as the time evolution of its thickness and the corresponding growth rate. We consider several mixing configurations, varying the length of the test section, the shape of the initial interface between the two gases and the Atwood number. A clear influence of some of these parameters is shown on the the post-reshock increasing rate of the mixing zone, in good accordance with numerical results obtained from the Commissariat à l’Energie Atomique (CEA, french atomic energy commission). A more local description of the flow is then obtained in a second step by measuring the turbulence levels at different locations inside the test section thanks to the LDV technique. After quantifying the issues linked to the statistical convergence of the turbulent quantities in such specific configurations, we provide an estimation of the turbulent intensities produced by the mixing at various stages of its development.

Ce travail de thèse repose sur l’élaboration et l’exploitation d’un banc expérimental dédié à l’étude d’un écoulement cavitant dans un micro-canal, pour des conditions proches de celles de l’injection diesel. Ce banc a été développé dans le but de faire varier différents paramètres, notamment l’état de surface des parois du canal. Plusieurs méthodes optiques (imagerie en transmission, strioscopie et interférométrie) ont été mises en place afin de visualiser l’écoulementet d’en extraire des informations quantitatives. Les images en transmission permettent de visualiser la formation de vapeur dans le canal. Elles sont sensibles au gradient de masse volumique et font ainsi apparaître des couches de cisaillement, des structures turbulentes et des ondes de pression. Leur interprétation est rendue délicate par cette richesse en information et nécessite de recourir aux autres techniques optiques. Il ressort de ce travail que la cavitation se forme dans la couche de cisaillement, sous l’effet combiné de la dépression engendrée par le décollement à l’entrée du canal et de tourbillons générés par des instabilités dans la couche de cisaillement. La confrontation des résultats obtenus à l’aide des différentes techniques optiques, notamment les champs de pression reconstruits à partir des interférogrammes, montre que la zone de formation de la cavitation ne correspond pas à la zone de minimum de pression moyenne de l’écoulement. Il apparaît aussi que certaines bulles de vapeur ont une durée de vie bien supérieure à ce que prévoient les modèles de dynamique de bulles. On suspecte que des fluctuations de pression de l’ordre de 20 bar, associées à la turbulence, contribuent à la prolongation de ces temps de vie. Un algorithme de PIV, appliqué à des couples d’images en transmission, permet de montrer une augmentation importante des fluctuations de vitesse en sortie de canal lorsque les poches de vapeur se développent. Cette augmentation devient plus significative quand les poches atteignent60% de la longueur du canal. L’écoulement cavitant est essentiellement piloté par le nombre de cavitation K. Les conditions d’apparition et de développement de la cavitation ont été quantifiées dans différents canaux, en faisant varier des paramètres géométriques, la pression amont ou la température. L’influence de la hauteur du canal et du rayon de courbure à l’entrée de l’orifice est conforme aux données de la littérature. Une dépendance du nombre de cavitation critique Kcrit à l’apparition de la cavitation au nombre de Reynolds Re est montrée. Enfin, l’influence de l’état de surface des parois a fait l’objet d’une étude spécifique. Cette partie du travail demande probablement à être complétée mais l’état de surface semble avoir une influence sur la cavitation. D’après les cas étudiés au cours de cette thèse, une surface rugueuse ou texturée avec des motifs suffisamment espacés peut retarder l’apparition de la cavitation et une rugosité limitée (jusqu’à Ra = 0,7 μmici) peut favoriser le développement des poches de vapeur. / This PhD study is based on the design and use of an experimental set-up dedicated to the study of a cavitating flow in a micro-channel in conditions close to Diesel injection. The experimental set-up has been designed so that different parameters may vary, in particular channel wall roughness. Several optical systems (backlit imaging, Schlieren imaging and interferometry) have been developed in order to visualize the flow and get quantitative data.Backlit images make it possible to visualize vapor formation in the channel. They are sensitive to density gradients and therefore show shear layers, turbulent structures as well as pressure waves. Since they are rich in information, it is tricky to interpret them and the use of other optical methods is required.This study shows that cavitation appears in the shear layer due to the combined effect of the depression induced by flow detachment at the channel inlet and vortexes caused by instabilities in the shear layer. The comparison of the results obtained from the different optical systems – in particular the pressure fields rebuilt from interferograms – indicates that cavitation does not appear where flow pressure is the lowest in average.It is noticed that some vapor bubbles have a life expectancy much higher than predicted by bubble dynamics models. It is thought that pressure variations of about 20 bar, associated to turbulence, may play a role in this phenomenon.A PIV algorithm applied to couples of backlit images shows that velocity fluctuations largely increase at the channel outlet when vapor cavities develop. The increase gets more significant when cavities are 60 % the channel length.The cavitating flow is mainly dependent on the cavitation number K. The conditions of cavitation inception and development have been quantified in different channels, and geometrical parameters, upstream pressure or temperature have varied. The influence of channel height and radius inlet on cavitation is in line with the literature. At cavitation inception, it is shown that the critical cavitation number Kcrit is dependent on Reynolds number Re. Finally, the influence of wall roughness has been the subject of a specific study. Although it would need to be further investigated, roughness seems to have an influence on cavitation. The samples used during this PhD work suggest that roughness or patterns sufficiently spaced out may delay cavitation inception, and limited roughness (up to Ra = 0.7 μm here) may enhance vapor cavity development.

Rapid mixing and spreading of supersonic jets are two important characteristics in supersonic ejectors, noise reduction in jets and fuel mixing in supersonic combustion. It helps in changing the acoustic and thermal signature in supersonic exhaust. The supersonic nozzles in most cases result in compressible mixing layers. The subsonic nozzles form incompressible mixing layers but at high Mach numbers even they form compressible mixing layers. Compressible mixing layers have been found to have much lower mixing and spreading rates than incompressible mixing layer Birch & Eggers (1972). In order to enhance the spreading and mixing of mixing layers from supersonic nozzles various active and passive methods have been deviced. Active methods include fluid injection, fluid lobes and plasma actuation. Passive methods are mostly based on modifying the nozzle geometry such that the fluid expansion is ideal or the shock cell is broken. Many nozzles with exotic shapes have been developed to obtain mixing enhancements in supersonic jets Gutmark et al. (1995). To achieve enhanced mixing an innovative nozzle named as the Elliptic Sharp Tipped Shallow (ESTS) lobed nozzle has been developed in L.H.S.R., I.I.Sc., India Rao & Jagadeesh (2014). This nozzle has a unique geometry involving elliptical lobes and sharp tips. These lobes are generated using a simple manufacturing process from the throat to the exit. This lobed and sharp tipped structure introduces stream wise vortices and azimuthal velocity components which must help in enhanced mixing and spreading. The ESTS lobed nozzle has shown mixing enhancement with 4 lobes. The spreading rate was found to be double of the reference conical nozzle. This thesis is motivated by the need to investigate the flow physics involved in the ESTS lobed nozzle. The effect of varying the number of lobes and the design Mach number of the nozzle on the mixing and spreading characteristics will be further discussed. Visualisation studies have been performed. The schlieren and planar LASER Mie scattering techniques have been used to probe the flow. Instantaneous images were taken at axial planes with the reference conical and ESTS nozzles with three, four, five and six lobes. The nozzles are for design Mach number 2.0 and 2.5. The stagnation chamber pressure was maintained to obtain over expanded, ideally expanded and under expanded flows. LASER scattering was obtained by seeding the flow with water to observe the behaviour of the primary flow. The condensation of moisture due to the cold primary flow mixing with the ambient air was exploited to scatter laser and observe the flow structures in the mixing layer. A comparison of the images of the reference conical nozzle and the ESTS lobed nozzles shows changes in the mixing layers due to the ESTS lobed nozzles. The image of the reference conical nozzle shows a distinct potential core and mixing layers all along the length of the image. For the ESTS lobed nozzles this distinction becomes unclear shortly after the nozzle exit. Thus mixing of the primary flow and ambient air is seen to be enhanced in the case of all the ESTS lobed nozzles. The flow in the case of the ESTS lobed nozzles if found to be highly non axis symmetric. The starting process of the nozzles has been visualised using time resolved schlieren. Image processing was performed on the nozzles to quantify the spread rate. The shock structure of the nozzles has been studied and found to be modified due to the lobed geometry. The level of convolution of the mixing layer due to the lobed structure has been studied using fractal analysis. The four lobed nozzle was found to have the highest spread rate and th most convoluted shear layer. Hence this nozzle was further studied using background oriented schlieren and particle image velocimetry to quantify the flow field. These experimental results have been compared with CFD simulations using the commercial software CFX5. The computations and experiments don’t match accurately but the trends match. This allows for simulations to be used as a good first approximation. The acoustic properties of a jet are dependent on the flow structure behaviour. The ESTS lobes have been found to change the flow structure. Hence the ESTS lobed nozzle was predicted to change the acoustic signature of the flow. The acoustic measurements of the flow were carried out at National Aerospace Laboratories, Bengaluru. The screech of the overexpanded flow was seen to be eliminated and the overall sound levels were found to have been reduced in all cases. Thus the lobed nozzle was found to have acoustic benefits over the reference conical nozzle. Thus the ESTS lobed nozzle has been studied and compared with the conical nozzle using several methods. The changes due to the lobed structure have been studied quantitatively. Future studies would focus on the change in thrust due to the lobed structure. Also new geometries have been proposed inspired by the current design but with possible thrust benefits or manufacturing benefits.

<p>A small plasma generation system was first developed using a ring-pin electrode configuration with the goal of producing a plasma disk at the burner outlet. Two distinct plasma regimes were identified: diffused and filamentary. Diffuse discharges were generated at low frequencies while filamentary discharges were generated at moderate to high frequencies. The induced flow fields generated by both diffuse and filamentary plasma discharges were investigated using high-speed schlieren visualization and particle image velocimetry. The rise in gas temperature was measured using optical emission spectroscopy. Lastly, the electrical properties for both types of plasma discharges was measured. The measurements provided a set of pulse parameters for the investigation of the plasma-flame interaction on the atmospheric pressure burner. </p> An atmospheric pressure plasma-assisted burner with a ring-pin electrode geometry was designed and fabricated to investigate the effect of nanosecond repetitively pulsed discharges on methane-air flames. The burner can produce both Bunsen-type and swirl-stabilized flames (helical vane swirlers, swirl number of 0.62) with a modular design to allow for a removable block swirler component. Flame chemiluminescence and direct imaging of flame structure and dynamics was done to understand the burner’s operating limits. The burner can operate 6 – 13 kW flames, with flames stabilizing at approximately 2 inches above the burner exit. The effect of air flow rate on plasma formation was investigated and it was found that the high velocity of the incoming gas changes the plasma regime and electrical properties. Finally, the plasma discharge was applied on lifted, swirled flames and used for plasma-assisted ignition. For lifted swirled flames, we found that a minimum of 100 pulses is required to generate a filamentary discharge in the air stream. Higher number of pulses at high frequencies appeared to extinguish the primary flame. A minimum of 6000 was used for ignition. The plasma-assisted burner will allow for future studies to investigate the plasma flame coupling for various conditions using a wide variety of diagnostics. <br>