The mear field structure of round turbulent jets with initially asymmetric velocity distributions is investigated experimentally. Experiments are carried out using a constant temperature hot-wire anemometry system to measure streamwise velocity in the jets. The measurements are undertaken across the jet at various streamwise stations in a range starting from the jet exit plane and up to a downstream location of twelve diameters. The experimental results include the distributions of mean and instantaneous velocities, vorticity field, turbulence intensity, and the Reynolds shear stresses. The asymmetry of the jet exit plane was obtained by using circular cross-section pipes with a bend upstream of the exit. There pipes used here include a straight pipe, and 90 and 160 degree-bend pipes. Therefore, at the upstream of the upstream of the pipe exit, secondary flow through the bend mean streamwise velocity distribution could be controlled by changing the curvature of pipes. The jets into the atmosphere have two levels of initial velocity skewness in addition to an axisymmetric jet from a straight pipe. In case of the curved pipe, a six diameter-long straight pipe section follows the bend upstream of the exit. The Reynolds number based on the exit bulk velocity is 13,400. The results indicate that the near field structure is considerably modified by the skewness of an initial mean velocity distribution. As the skewness increases, the decay rate of mean velocity at the centerline also increases.
한국가시화정보학회 2004년도 Proceedings of 2004 Korea-Japan Joint Seminar on Particle Image Velocimetry
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pp.1-13
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2004
A scanning stereo-PIV system was developed to measure the three-dimensional distribution of three-component velocity in a turbulent round jet. A laser light beam produced by a high repetition rate YLF pulse laser was expanded vertically by a cylindrical lens to form a laser light sheet. The light sheet is scanned in a direction normal to the sheet by a flat mirror mounted on an optical scanner, which is controlled by a programmable scanner controller. Two high-speed mega-pixel resolution C-MOS cameras captured the particle images illuminated by the light sheet, and stereoscopic PIV method was adopted to acquire the 3D-3C-velocity distribution of turbulent round jet in an octagonal tank filled with water. The jet Reynolds number was set at Re=1000 and the streamwise location of the measurement was fixed at approximately x = 40D. Time evolution of three-dimensional vortical structure, which is identified by vorticity, is visualized. It revealed that the existence of a group of hairpin-like vortex structures was quite evident around the rim of the shear layer of the jet. Turbulence statistics shows good agreement with the previous data, and divergence of a filtered (unfiltered) velocity vector field was $7\%\;(22\%)$ of root-me an-squared vorticity value.
An experimental study has been performed on a three-dimensional boundary layer over a rotating disk with an impinging jet at the center of the disk. The objective of the present study is to investigate the turbulence statistics of the three-dimensional turbulent boundary layer, which may be regarded as one of the simplest models for the flow in turbomachinery. Six components of the Reynolds stresses and ten triple products are measured by aligning the miniature X-wire probe to the mean velocity direction. The ratio of the wall-parallel shear stress magnitude to twice the turbulent kinetic energy in the near-wall region is strongly decreased by the impinging jet. In the case of the free rotating disk flow the shear stress vector lags behind the mean velocity gradient vector in the whole boundary layer, while the lag is weakened as the impinging jet speed increases.
The influence of thermodynamic transition associated with transcritical nitrogen injection upon the flow structure was investigated to explore numerical simulation of the injectant dynamics of oxygen/hydrogen coaxial jet in liquid rocket engines. Single and coaxial nitrogen jets were treated by comparing the transcritical and perfect-gaseous conditions, wherein the numerical model was accommodative to the real-fluid thermodynamics and transport properties at supercritical pressures. The model was in the first place validated by comparing the results of transcritical nitrogen injection between calculations and available experiments. For a single jet under the transcritical condition, the nitrogen kept a relatively high density up to its pseudo-critical temperature inside the mixing layer, since it remains less expanding until heated up to its pseudo-critical temperature. Numerical analysis revealed that cryogenic jets exhibit strong dependence of specific enthalpy profile upon the associated density profile that are both dominated by turbulent thermal diffusion. In the numerical model, therefore, exact evaluation of turbulent heat fluxes becomes very important for simulating turbulent cryogenic jets under supercritical pressures. Concerning the coaxial jets due to transcritical/gaseous nitrogen injections, the density profile inside the mixing layer was again affected by the thermodynamic transition of nitrogen. However, hydrodynamic instability modes of the inner jet did not show significant differences by this thermodynamic transition, so that further study is needed for the mixing process downstream of the near injection position.
질소 희석 가스가 수소화염의 화염안정성에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. 연료는 수소이며 수소화염을 부상시키기 위하여 동축공기를 사용하였다. 이때 수소의 속도는 200 m/s이고 동축공기의 속도는 16 m/s로 고정하였다. 질소 희석 가스는 연료 공급라인에 주입되었으며 전체 연료 부피의 0$\sim$20%까지 주입하였다. 화염구조분석을 위하여 PIV/OH PLIF 동시측정 기법을 사용하였다. 수소 난류 확산화염 화염안정성 실험을 통하여 질소 가스 주입에 따라 부상화염 높이는 증가하였으며, 난류 화염 전파속도는 감소하였다. 그리고 난류 화염전파속도는 난류강도의 함수로 표현될 수 있었다.
Premixed flame is better than diffusion flame to accomplish a high loading combustion. Since the turbulent characteristics of unburned mixture has a great influence on the flame structure, it is general that many researchers realize a high loading combustion with strengthening turbulent intensity of unburned mixture. Because turbulent premixed flame reacts efficiently on the condition of distributed reaction region, we made high turbulent premixed flame in the doubled impingement field. We investigated turbulent characteristics of unburned mixture with increasing shear force and visualized flames with direct and Schlieren photographs. And the combustion characteristics of flame was elucidated by instantaneous temperature measurement with a thermocouple, by ion currents with a micro electrostatic probe, by radical luminescence intensity and local equivalence ratio. Extremely strong turbulent of small scale is generated by impingement of mixture, and turbulent intensity of unburned mixture increased with the mean velocity. As a result of direct photographs, visible region of flame became longer due to increasing central direction flux. But as strengthed turbulent intensity, visible region of flame turned to shorter and reaction occurred efficiently. As strengthened turbulent intensity of mixture with increasing flux of central direction, maximum fluctuating temperature region moved to radial direction and fluctuation of temperature became lower. The reason is influx of central direction which caused flame zone to move toward radial direction, to maintain flame zone stable and to make flame scale smaller.
무제트초기의 불안정성이 하류에서의 와류성장에 영향을 끼치기 때문에 와류의 조절에 의한 충돌면에의 유동 및 열전달 효과의 변화를 기대할 수 있게 된다. 따라서 본 논문에서는 FFT를 이용하므로써 제트의 와류생성과 병합의 주파수 특성을 연구하고 이에 적절한 주파수로 와류를 여기하여 자유제트의 유동특성 변화와 충돌제트의 유동 및 열전달 특성을 고찰하였다. 음향여기를 하게되면 제트주위의 와류형성을 조절할 수 있게 되는데, 자연적으로 형성되는 와류의 주파수(와류의 고유주파수)와 관련하여 여기해준 주파수성분 자체보다는 여기주파수의 부조화성분이 중요한 역할을 하게 된다. 음향여기를 통해 와류의 병합이 촉진되면 중심부에서의 난류강도가 증가하게 되고 억제하면 난류강도는 감소하게 된다. 따라서 와류병합을 촉진하면 가까운 거리에서는 높은 난류강도로 인해 정체점에서의 열전달이 증가하지만 멀어질수록 포텐션코어길이의 감소로 오히려 낮은 결과를 나타내었다. 이와 반대로 와류병합을 억제하면 중심부에서의 낮은 난류강도로 가까운 거리에서는 열전달이 감소하였으나 포텐셜코어길이가 길어지면서 먼거리에서는 열전달에 효과적이었다.
EINOx scaling for $H_2/CO$ non-premixed turbulent jet flame was conducted. NOx concentration and flame length were measured simultaneously with varying flow conditions. Flame length increases with Reynolds number which means the flames in buoyancy-momentum transition region. We assessed the previous Chen & Driscoll's scaling with present results. However, the scaling cannot satisfy the present results. We proposed new scaling which is addressed the simplified flame residence time. The new scaling satisfies the results of $H_2/CO$ syngas flame as well as pure hydrogen flames.
The flow analysis method which had been developed for the numerical calculation of 3-dimensional, incompressible and turbulent flow within an axial compressor was extended to the flow field within centrifugal impeller. In this method based on the SIMPLE(Semi Implicit Method Pressure Linked Equations) algorithm, the coordinate transformation was adopted and the standard k-.epsilon. model using wall function was used for turbulent flow analysis. The calculated flow fields have agreed very well with measurement results. Especially, 3-dimensional and viscous flow characteristics including secondary flows, jet-wake flow and decreased pressure rise along impeller passage, which can't be predicted by inviscid Q3D calculation were predicted very reasonably.
A modified subsonic wind tunnel was employed to investigate the turbulent flow of a valve jet. To effectuate this experimental study, an actual valve and valve seat of a diesel engine were equipped at its outlet (ref. Fig. 3) Theoretically, using the equation of motion of Navier-Stokes in the chlindrical coordinates, the turbulent equation of motion for the incompressible fluid was derived with three assumptions; steady flow (.delta./.delta.t=0), axisymmetry and revolutionary homogeneity(.delta./.delta..phi.=0), no ensemble revolution (V.iden.0). Experimentally, mean and fluctuation velocities have been measured in the redial direction. With a assumption of a non-dimensional velocity distribution equation, a sami-emperical similarity profile equation of the jet flow have been derived, whose empirical constants were deterimed graphically with the data obtained.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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