Анализа вртложног језгра и структуре турбуленције у правој цеви кружног попречног пресека иза кола аксијалних вентилатора применом PIV, LDA i HWA метода

Abstract

У дисертацији се истражује структура турбулентног вихорног струјања које је генерисано обртним колом аксијалног вентилатора. Комплексност тродимензијског нехомогеног анизотропног турбулентног брзинског поља захтевала је сложен експериментални и теоријски приступ, сједињен са комплексним нумеричким поступцима. Применом корелационо-спектралне теорије турбуленције изложена је математичка интерпретација структуралне анализе турбуленције. Оваквим теоријским разматрањем дата су физичка тумачења сложених међудејстава средњег и флуктуационог брзинског поља која карактеришу процесе турбулентног преноса. Анализа вртложног језгра и статистичких карактеристика турбулентног вихорног струјања у цеви иза кола аксијалних вентилатора заснива се на најсавременијим експерименталним истраживањима. У том смислу примењени су савремени мерни системи који обухватају класичне мерне сонде, стерео ПИВ анемометрију, стерео ПИВ са брзим камерама и ласерима (ТР ПИВ), ласер Доплер анемометрију (ЛДА) и то једнокомпонентну и двокомпонентну, као и оригиналне анемометарске сонде са загрејаним влакнима (HWA). Мерења и принципи мерења су заједно разматрани са софистицираним мерно-нумеричким методама за аквизицију и статистичку обраду мерених података, као и за калибрацију и анализу грешака и мерне несигурности. Бројни експерименти су реализовани како на инсталацији која је добијена модификацијама постојећег мерног штанда, тако и на целокупно новој изграђеној експерименталној инсталацији.На основу оригиналних резултата мерења у раду се детаљно истражује утицај типа и режима рада аксијалног вентилатора на структуру турбуленције и механизам турбулентног преноса. Посебно се проучава феномен прецесије вртложног језгра, као и феномени нелокалног турбулентног преноса и неградијентне турбулентне дифузије. При томе се анализирају утицаји Рејнолдсовог и вихорног броја, као и броја обртаја и углова лопатица кола на ове појаве. Физичка интерпретација експерименталних података указује на значајна структурална својства вртложног турбулентног језгра и смицајног слоја. Експериментално-корелационом анализом истражује се еволуција статистичких карактеристика и корелационих момената, на основу чега се закључује о изразитој нехомогености и анизотропности турбуленције. Измерене расподеле турбулентних напона омогућиле су формирање инваријантних мапа анизотропности за различите углове лопатица кола, тако да су добијени значајни закључци о утицају режима рада вентилатора на анизотропност и структуру турбуленције у језгру, смицајном слоју и основном струјању. Додатне физичке информације о структури турбуленције добијене су из експериментално одређених аутокорелационих функција и интегралних размера турбуленције, као и помоћу анализе спектралне функције обимских флуктуационих брзина. Утврђени су утицаји врсте вентилатора на расподелу статистичких момената трећег и четвртог реда, као и на генерисање поља вртложности и прецесионо кретање вртложног језгра.

The dissertation investigates the structure of turbulent swirl flow generated by the axial fan impellers. The complexity of three-dimensional, non-homogeneous, anisotropic turbulent velocity fields required complex experimental and theoretical approach, associated with the complex numerical procedures. Mathematical interpretation of the structural analysis of turbulence is presented using the correlation-spectral theory of turbulence. This theoretical consideration provides adequate physical interpretation of complex interactions between the average and fluctuating velocity fields that characterize the processes of turbulent transfer. Analysis of the vortex core and the statistical characteristics of turbulent swirl flow in straight pipe behind axial fans is based on the latest experimental researches. In this sense, modern measurement systems that include classical probes, stereo particle image velocimetry (SPIV), high speed SPIV (TR PIV), laser Doppler anemometry (LDA) – one- and two-component and original hot-wire anemometers (HWA) were all applied. Measurements and measurement principles are discussed along with sophisticated numerical-measurement methods for data acquisition and statistical processing of measured data and together with calibration and error analysis and measurement uncertainty. Numerous experiments were carried out in the modified existing test rig and in the entire newly built experimental test rig. Based on the original measurement results, the PhD thesis examines in detail the influence of the type and operating regime of axial fan on turbulence structure and turbulent transfer mechanism. In particular, the phenomenon of the vortex core precession as well as the phenomenon of non-local turbulent transfer and non-gradient turbulent diffusion is studied. In addition, the effects of Reynolds and swirl number, and the effects of rotation speed and blade angle on these phenomena are investigated . The physical interpretation of experimental data indicates significant structural properties of a turbulent vortex core and a shear layer. Experimental and correlation analysis examines the evolution of statistical characteristics and correlation moments, which is the basis for drawing conclusions about the extreme turbulence non-homogeneity and anisotropy. The measured distributions of turbulent stresses enabled the formation of anisotropy invariant maps for various fan blade angles, so the important conclusions about the influence of fan duty point on anisotropy and turbulence structure in the core, shear layer and sound flow region were obtained. Additional pieces of information on turbulent structure physics were obtained on the basis of experimentally determined autocorrelation functions and turbulence integral scales, and also by the analysis of spectral functions of circumferential velocity fluctuations. Impacts of the fan types on the statistical moments of the third and fourth order, and on the generation of the vorticity field and vortex core precession movement, are determined.