Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4977
Main Title: On the analysis of the dominant periodic and non-periodic structures in the near field of swirling jets undergoing vortex breakdown
Translated Title: Ein Beitrag zu der Analyse der dominanten periodischen und nicht-periodischen Strukturen im Nahfeld von Drallstrahlen mit aufgeplatztem Wirbelkern
Author(s): Rukes, Lothar
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Referee(s): Schröder, Wolfgang
Oberleithner, Kilian
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The vortex breakdown phenomenon and the associated self-excited global mode of swirling jets have been thoroughly investigated in the last decades. The continued interest in this flow is driven by its rich dynamics on one hand and the enormous importance in practical applications on the other hand. Through the efforts of many researchers, new and fascinating facets of swirling jets continue to emerge. The explanation of these aspects requires physical understanding and a set of methods that allow the production, extraction and analysis of the features of interest. This study focuses on the global mode and on the recirculation bubble of swirling jets undergoing vortex breakdown, discusses physical mechanisms that impact these structures at their very root and develops tools for the extraction and analysis. Contributions are made in the area of local linear stability analysis of highly turbulent steady flows. The question of turbulence modeling in the stability analysis is addressed in this context. It is demonstrated that local linear stability analysis delivers an accurate analysis of the global mode, when fine scale turbulent fluctuations are included via a suitable model. The use of computational fluid dynamics in providing modeled turbulence quantities is demonstrated in this context. The analysis of a swirl transient reveals that the onset of the global mode is strongly linked to the formation of the stagnation point. An excellent agreement is found between the frequency of the global mode predicted by local linear stability analysis and that derived from the experiment. The growth rate predictions are found to be plausible and several bifurcation scenarios of the global mode are discussed. In extending earlier studies the mode selection mechanism in the pre-breakdown regime is investigated. In the present study no indication of a nonlinear global mode is found. The global mode in swirling jets is known to be a very robust feature of the flow. It is hence remarkable that the global mode is abruptly suppressed under certain conditions in combustion applications. This observation is investigated with an experimental study and local linear stability analysis. It is shown that the influence of heat addition in the breakdown bubble on the global mode is ambivalent. Strong heating is found to decrease the amplitude of the global mode, whereas slight heating leads to an amplification of the global mode. The wavemaker of the global mode is identified by local linear stability analysis and it is demonstrated that only the density ratio at the wavemaker location is decisive in the suppression of the global mode. The generation conditions of a swirling jet are considered. This study demonstrates that the size of the vortex core upstream of the breakdown bubble critically influences the dynamics of the global mode and particularly of the recirculation bubble. A novel feature tracking approach is developed that allows the extraction of critical points from uncorrelated particle image velocimetry measurements. This approach is specially designed to allow the tracking of the upstream stagnation point as a marker for the breakdown bubble dynamics.
Das Phänomen des Wirbelaufplatzens und der damit einhergehenden globalen Mode von Drallstrahlen ist in den vergangenen Jahrzehnten intensiv untersucht worden. Das stetige Interesse an dieser Strömungsform ist einerseits auf ihre vielfältige Dynamik und andererseits auf ihre immense Bedeutung in technischen Anwendungen zurückzuführen. Durch die Bemühungen vieler Forscher treten weiterhin neue und faszinierende Facetten von Drallstrahlen zu Tage. Um die immer neuen Aspekte von Drallstraheln zu ergründen, ist ein Verständnis der physikalischen Einflussfaktoren notwendig und gleichermaßen die Entwicklung von Methoden, die es erlauben Strukturen zu extrahieren und zu analysieren. Diese Studie leistet einen Beitrag zum weiteren Verständnis der Einflussfaktoren auf die globale Mode von aufgeplatzten Drallstrahlen und entwickelt Werkzeuge, die die Analyse dieser Struktur erlauben. Speziell die lokale lineare Stabilitätsanalyse wird im Kontext turbulenter, offener und nicht-paralleler Drallstrahlen entwickelt. Es wird gezeigt, dass die Anwendung lokaler linearer Stabilitätsanalyse auf stationäre mittlere Felder hochturbulenter Drallstrahlen eine genaue Vorhersage der Frequenz und der Wachstumsrate der globalen Mode ermöglicht, wenn feinskalige Turbulenz durch ein geeignetes Modell in die Analyse einbezogen wird. Desweiteren wird gezeigt, dass die Verwendung von numerischen Strömungssimulationen basierend auf den Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen eine akkurate Darstellung des komplexen Strömungsfeldes erlaubt und damit als Grundlage für lokale und besonders globale Stabilitäsuntersuchungen in Betracht kommt. Weiterhin stellt diese Art der Strömungssimulation modellierte Turbulenzgrößen bereit, die in der Stabilitätsanaylse verwendet werden können. Dies wird in der vorliegenden Studie kontrastiert mit den Schwierigkeiten, die bei der Extraktion von modellierten Turbulenzgrößen aus gemessenen Geschwindigkeitsfeldern auftreten können. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wird ein Experiment analysiert, in dem der Drall transient erhöht wurde. Die Analyse fußt auf zeitaufgelösten Particle Image Velocimetry Messungen. Es wird gezeigt, dass die Entstehung der globalen Mode direkt mit dem Auftreten des internen Stagnationspunktes zusammenhängt. Die Vorhersagen der lokalen Stabilitätsanalyse sind, was die Frequenz angeht, in hervorragender Übereinstimmung mit den Werten, die aus dem Experiment ermittelt wurden. Die Vorhersage der Wachstumsrate der globalen Mode ist plausibel. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Bifurkationsszenarien diskutiert, wie sie beim Überschreiten des kritischen Kontrollparameterwertes auftreten können. Diese Studie knüpft weiterhin an vorhergehende Untersuchungen im Bereich unterkritischen Dralls an und untersucht das Auftreten anderer dominanter kohärenter Strukturen als der einfach-spiralförmigen globalen Mode. Das Auftreten einer anderen globalen Struktur kann hier nicht bestätigt werden. Darüber hinaus lässt die hier vorgestellte Analyse keine Anzeichen einer nichtlinearen globalen Mode im Bereich überkritischen Dralls erkennen. Eine der herausragenden Eigenschaften der globalen Mode ist ihre Robustheit gegenüber äußeren Einflüssen, die durch die Selbsterregug dieser Struktur bedingt ist. Es ist daher bemerkenswert, dass in der Forschung zu drallstabilisiertter Verbrennung eine abrupte Dämpfung der Mode bei bestimmten Flammenformen beobachtet wird. Es wird hier der Frage nachgegangen, ob die Dämpfung der globalen Mode immer ein abrupter Vorgang ist, oder ob Zwischenzustände existieren. Eine experimentelle Studie zeigt klar, dass der Einfluß der Dichte auf die Amplitude der globalen Mode ambivalent ist. Wird in der Rückströmblase Wärme freigesetzt, so führt starkes Heizen zu einer Dämpfung der Mode. Schwaches Heizen kann jedoch zu einer beträchtlichen Anfachung der modalen Amplitude führen. Mit Hilfe lokaler linearer Stabilitätsanalyse wird basierend auf den Meßdaten gezeigt, dass ausschließlich das Dichteverhältnis an der Position des wavemaker ausschlaggebend für die Dämpfung der Mode ist und nicht etwa das kleinste global vorherrschende Dichteverhältnis. Schließlich befasst sich diese Arbeit mit der räumlichen Entstehung eines Drallstrahls. Der Wirbelkerndurchmesser stromauf der Rückströmblase wird als ein Parameter identifiziert, der die Dynamik der globalen Mode und der Rückströmblase entscheidend beeinflusst. In diesem Zusammenhang wird ein neuartiges Verfahren entwickelt, dass es erlaubt nicht-periodische Phänomene wie die Rücktrömblase zu analysieren. Zu diesem Zweck werden kritische Punkte der instantanen Geschwindigkeitsvektorfeldtopologie aus unkorrelierten Particle Image Velocimetry Bildern extrahiert. Der stromaufliegende Stagnationspunkt wird als ein Sattelpunkt der Vektorfeldtopologie bestimmt und dessen instantane Position kann als Maß für die räumliche Dynamik der Rückströmblase verwendet werden.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5289
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4977
Exam Date: 19-Jan-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 4-Feb-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::532 Mechanik der Fluide, Mechanik der Flüssigkeiten
Subject(s): swirling jet
vortex breakdown
coherent structures
linear stability analysis
Drallstrahl
Wirbelaufplatzen
kohärente Strukturen
lineare Stabilitätsanalyse
Sponsor/Funder: DFG, PA 920/29-1, Einfluss des Temperaturfeldes auf die Entstehung einer globalen Mode in Drallstrahlen mit Wirbelaufplatzen
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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