Експериментална и теоријска истраживања структуре турбулентног вихорног струјања у млазу аксијалног вентилатора

Abstract

У оквиру дисертацијe се истражује структура турбулентног вихорног струјања у млазу аксијалног вентилатора. Генерисано турбулентно струјање је тродимензионо, нехомогено и анизотропно. Примењени су сложени експериментални, нумерички и теоријски приступи. Експериментална инсталација је у раду детаљно описана, као и квантификација мерне несигурности трокомпонентног система за Ласер Доплер анемометрију (ЛДА). ЛДА систем је, при симултаном мерењу три компоненте брзине, захтевао прецизна подешавања мерне запремине у границама пречника до 100 μm. Остварено је прецизно померање ове запремине дуж млаза. Посебан изазов је представљала нумеричка обрада добијених, у времену неједнако распоређених, мерних резултата. Теоријским разматрањима, у оквиру дисертације, бачено је ново светло на класичне записе Навије-Стоксових и Рејнолдсових једначина у поларно-цилиндричним координатама. Детаљно су разматране емпиријске радијалноаксијалне расподеле укупне, аксијалне, радијалне и обимске брзине, измерене за две брзине обртања вентилатора и три угла лопатица. На овај начин је било могуће истражити утицај Рејнолдсовог броја, као и геометријских карактеристика вентилатора, тј. угла лопатица, на карактер дејства вихора на турбуленцију и еволуцију нивоа турбуленције, како у самом мерном пресеку, тако и у низструјном развоју млаза. Анализа генерисања турбуленције и продукције појединих Рејнолдсових напона указала је на битне карактеристике турбулентног преноса у слободном вихорном млазу. Уочено је да промена знака градијента брзине не изазива увек и промену знака припадајуће компоненте тензора турбулентног напона. У доменима струјног поља у којима се то дешава, механизам турбулентног преноса је нелокалног карактера, присутна је неградијентна турбулентна дифузија и јавља се негативна продукција кинетичке енергије турбуленције. Изложена је дискусија о утицају вихора на структуру турбуленције и механизам турбулентног преноса. Анализа је указала на сложена међудејства осредњених и флуктуационих поља у вихорном млазу. Закључено је да генерисање енергије флуктуационог кретања не настаје на основу кинетичке енергије осредњеног кретања, већ напротив. Смер преношења енергије се мења, тако да осредњено кретање „црпи” кинетичку енергију флуктуационог кретања, штоодговара сложеним структуралним својствима турбуленције. Зато су експериментална истраживања била усмерена на мерење и анализу статистичких момената вишег реда, и то овде до шестог реда...

The dissertation deals with the structure of the turbulent swirl flow in an axial fan jet. The generated turbulent flow is three-dimensional, inhomogeneous and anisotropic. Complex experimental, numerical and theoretical approaches were applied. The experimental setup is described in detail, as well as the quantification of the measurement uncertainty of a three-component Laser Doppler Anemometry (LDA) system. The LDA system, while measuring the three velocity components simultaneously, requires precise adjustments of the measuring volume up to 100 μm in diameter. A precise displacement of this volume along the jet was achieved. A particular challenge was the numerical processing of the obtained unequally spaced data. Theoretical considerations, in the framework of the dissertation, have brought new light on classical notations of Navier-Stokes and Reynolds equations in polar-cylindrical coordinates. The empirical radial-axial distributions of total, axial, radial, and circumferential velocities measured for two fan speeds and three vanes angles are thoroughly analyzed. In this way, it was possible to investigate the influence of the Reynolds number as well as the geometric characteristics of the fan, i.e. angles of the blades, on the character of the swirl influence on turbulence and the evolution of the turbulence level, both in the measuring cross section and in the downstream development of the jet. An analysis of the generation of turbulence and the production of individual Reynolds stresses indicated the essential characteristics of turbulent transfer in a free swirl jet. It has been observed that a change in the sign of the velocity gradient does not always cause a change in the sign of the corresponding component of the turbulent stress tensor. In the fluid flow domains where this occurs, the turbulent transfer mechanism has nonlocal character, non-gradient turbulent diffusion and negative production of turbulence kinetic energy occur. Discussion of the effect of the swirl on the turbulence structure and the mechanism of turbulent transfer is presented. The analysis indicated the complex interactions of averaged and fluctuating fields in a swirl flow. It is concluded that the generation of fluctuating motion energy does not occur on the basis of kinetic energy of averaged motion, but on the contrary. The direction of energy transfer changes so that theaveraged motion "draws" the kinetic energy of the fluctuating motion, which corresponds to the complex structural properties of the turbulence. That is why experimental research has focused on measuring and analyzing higher order statistical moments, up to the sixth order here...