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The compressible starting jet
fluid mechanics and acoustics
Peña Fernández, Juan José
Jets are involved in numerous industrial applications and in nature: fuel injection, jet engines, volcanic jets, air-bag devices, but also water jet cutters, jet packs (rocket belts), jet injectors for vaccination, astrophysical jets, etc. Continuous jets have been already studied in the incompressible and compressible case for almost a century, focused mainly on the characterization of the fluid motion at the jet centerline and the effect of the governing parameters. The starting jet has been studied only in the incompressible case, focused mainly on the radial and axial characterization of the vortex ring. The compressible starting jet can be considered a new topic. The compressible starting jet has been studied in this thesis mainly with a numerical approach using finite differences with a massively parallel code running in one of the biggest supercomputing centres in Europe. Nevertheless, experiments in both laboratory and active volcanoes have been also carried out mainly to study the acoustics emanated. A small, but not insignificant theoretical work was performed in order to estimate some flow properties when changing the governing parameters. The main contribution of this thesis is the link between the fluid mechanics and the acoustics in the compressible starting jet. With an extensive analysis of both the fluid flow and the acoustics, we found two ways in which the trailing jet and the head vortex ring interact, producing two of the loudest noise sources of the compressible starting jet: (i) the shock-shear layer interaction is the basic noise generation mechanism of the broadband shock noise and (ii) the shock-shear layer-vortex ring interaction was found for the first time and generates a single acoustic wave, but with a higher amplitude than those from the broadband shock wave. Studying in detail the interface trailing jet - vortex ring we found that using a pinch-off vorticity threshold equal to 0.1 is a more appropriate definition of the pinch-off (separation between the vortex ring and the trailing jet) than the previous methods used in the literature, based mainly on optical interpretations. We have also confirmed that the evolution of the axial position of the vortex ring follows x/D ~ t^(1/2) and the radius of the vortex ring evolves as R/D ~ t^(1/3) during a significant period of time. Comparing a low subsonic vortex ring with a high subsonic and a supersonic one, we confirmed that compressibility reduces significantly the propagation velocity of the vortex ring. We analysed the effect of turbulence intensity at the inlet as well as three different nozzle geometries and we found that even with perturbations intensities 10% of the mean flow, the shock-cell structure still remains present. With a broad knowledge of both fluid mechanics and the acoustics of the compressible starting jet as well as the link between both of them we predicted some of the governing parameters from acoustic and/or optical measurements. This is particularly important for those disciplines where the direct access to the jet is not possible (such as volcanic jets) or for the development of new monitoring techniques.
Freistrahlen, auch "Jets" genannt, kommen häufig sowohl in industriellen Anwendungen als auch in der Natur vor, so zum Beispiel bei Treibstoffeinspritzung, Strahltriebwerken, Vulkanausbrüchen, Airbags, aber auch in Wasserstrahlschneidemaschinen, Raketenrucksäcken, Impfpistolen, kosmischen Jets, usw. Kontinuierliche Freistrahlen werden seit ungefähr einem Jahrhundert, sowohl im inkompressiblen als auch im kompressiblen Bereich untersucht.
Der Fokus liegt dabei hauptsächlich auf der Beschreibung der Bewegung des Fluides bezüglich der Freistrahlachsen sowie dem Einfluss der wichtigsten Parameter. Der startende Freistrahl wurde bisher nur im inkompressiblen Bereich untersucht und der Fokus lag auf der Beschreibung der Entwicklung des Ringwirbels. Der kompressible, startende Freistrahl kann als ein neues Thema betrachtet werden. In dieser Dissertation wird dieser Fall untersucht, verwendet wird dabei ein numerischer Ansatz, der auf finiten Differenzen basiert und diese in einem parallelen numerischen Code auf einem der größten Rechenzentren Europas implementiert. Zusätzlich werden Experimente sowohl im Labor als auch auf Vulkanen durchgeführt um die Akustik der auftretenden Freistrahlen zu untersuchen. Ein theoretischer Ansatz wird verfolgt um die Wirkung des Hauptparameters eines solchen Freistrahles abzuschätzen. Der Hauptbeitrag dieser Dissertation ist die Verbindung zwischen der Fluiddynamik und der Akustik des kompressiblen startenden Freistrahls. Durch eine umfangreiche Analyse sowohl der Strömungsmechanik als auch der Akustik, haben wir zwei Art und Weisen gefunden, wie der ausgebildete Jet mit dem Ringwirbel, welcher beim Start entsteht, interagiert, wodurch zwei der lautesten Lärmquellen des startenden Freistrahls entstehen: (i) die Stoß-Scherschicht Interaktion ist der Mechanismus wodurch der "Broadband shock noise" entsteht und (ii) die Stoß-Scherschicht-Ringwirbel Interaktion wurde erstmals gefunden; obwohl sie nur eine einzige Druckwelle generiert, hat sie eine höhere Amplitude als die des "Broadband shock noise". Während der Detailstudie über die Grenze zwischen des Ringwirbels und des Trailing Jets haben wir gefunden, dass die Anwendung einer Wirbelstärkeschwelle von 0.1 eine geeignetere Definition des Pinch-off ist als die vorherigen Methoden aus der Literatur, welche hauptsächlich auf optische Auswertungen basiert sind. Wir konnten bestätigen, dass die Entwicklung der Position des Ringwirbels in der axialen und radialen Richtung x/D ~ (t^*)^(1/2) und R/D ~ (t^*)^(1/3) über einen substantiellen Zeitbereich folgt. Wir konnten auch bestätigen, dass die Kompressibilität die Verbreitung des Ringwirbels verzögert. Wir haben zusätzlich gefunden, dass für ein Turbulenzgrad von 10%, die Stoßzellen-Struktur noch erhalten ist. Mit umfassenden Kentnissen über sowohl die Strömungsmechanik als auch die Akustik des startenden Freistrahls, als auch der Verbindung zwischen beiden, sind wir in der Lage, die Hauptparameter durch akustische und optische Messungen abzuschätzen. Das ist besonders wichtig für Anwendungen, wo kein direkter Zugang zum Strahl möglich ist (zum Beispiel im Fall von Vulkanausbrüchen), aber auch für die Entwicklung neuer vulkanischer Überwachungsmethoden.
