Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7144
Main Title: Fundamental properties of a spatially oscillating jet emitted by a fluidic oscillator
Translated Title: Fundamentale Eigenschaften eines räumlich oszillierenden Strahles erzeugt durch einen fluidischen Oszillator
Author(s): Ostermann, Florian
Advisor(s): Paschereit, Christian Oliver
Woszidlo, Rene
Referee(s): Paschereit, Christian Oliver
Weiss, Julien
Grundmann, Sven Olaf
Woszidlo, Rene
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: A jet is a fundamental flow scenario underlying several technical applications. Recently, spatially oscillating jets emitted by fluidic oscillators are employed to enhance mixing or control separation. Fluidic oscillators are able to emit a jet that spatially oscillates within a plane. Although their efficacy has been proven for many applications, the reasons for their performance remain unknown due to the lack of knowledge on the underlying, fundamental flow fields. The present work aims to analyze these flow fields in order to explain the underlying flow physics and to identify possible reasons for the high effectivity of spatially oscillating jets in various applications. The fundamental flow field of spatially oscillating jets emitted into a quiescent environment and into a crossflow are assessed experimentally. The complexity of the flow fields, which is caused by the three-dimensionality and the temporal unsteadiness, necessitates intermediate steps that break down the complexity. The individual steps undertaken to assess the complex flow field of spatially oscillating jets and the corresponding results are summarized in four publications that are the basis for this cumulative dissertation. Various phase-averaging methods are evaluated for their suitability to phase-average the flow field of a spatially oscillating jet. Phase-averaging based on a pressure signal extracted from inside the fluidic oscillator is found to be appropriate. This method is used to phase-average the internal flow field of a fluidic oscillator. The time-resolved flow field allows to identify the driving mechanism behind the spatial oscillation. It is revealed that the volume flow through the feedback channels is the driving parameter of the oscillation frequency. Besides the spatial oscillation of the jet, the internal dynamics inside the oscillator also cause the jet properties (i.e., massflow and momentum) to oscillate temporally. Extending the results from the internal flow field, the three-dimensional fundamental flow field of a spatially oscillating jet emitted into a quiescent environment is investigated. Head vortices are identified inside the flow field, which are created at either side when the jet is fully deflected. The quantitative analysis of jet properties reveals that the entrainment of spatially oscillating jets is significantly enhanced compared to that of conventional steady jets, which indicates an improved mixing performance. The jet force of the spatially oscillating jet exceeds the theoretical force determined from assuming a top-hat velocity profile at the outlet. This difference reveals that the jet momentum is underestimated in most studies that use spatially oscillating jets for flow control. The experiences from these first studies regarding the acquisition of three-dimensional data and phase-averaging methods enable to investigate the complex, three-dimensional, time-resolved flow field of a spatially oscillating jet interacting with a crossflow. It is shown that the jet achieves a considerable penetration into the spanwise direction. Dominant, prevailing, streamwise vortices are identified in the flow field. They are suspected to be one reason for the high effectiveness of spatially oscillating jets in flow control. The driving mechanism behind these vortices is described by an analogy to a vortex-generating jet with a changing deflection angle. For high Strouhal numbers, a considerable wake is formed downstream of the jet because the crossflow is not able to adapt to the changing deflection angle. It is proposed that with further increasing Strouhal number, the flow field approaches a quasi-steady state. The results of the individual publications are reviewed regarding their applicability and transferability to other studies. Possible shortcomings of the present work are discussed and the importance of the specific flow field properties is emphasized. Throughout this work, suggestions are made how to optimize the flow field properties to meet specific requirements for applications.
Ein Strahl beschreibt ein fundamentales Strömungsszenario, welches vielen technischen Anwendungen zugrunde liegt. In den letzten Jahren werden räumlich oszillierende Strahlen, welche durch Fluidische Oszillatoren erzeugt werden, für Mischungsverbesserung und Strömungskontrolle eingesetzt. Fluidische Oszillatoren erzeugen einen Strahl, der innerhalb einer Ebene räumlich oszilliert. Obwohl ihre Effektivität in vielen Anwendungen bewiesen wurde, sind die Gründe für ihre Wirksamkeit weitestgehend unbekannt, da nur wenige Informationen über die zugrundeliegenden Strömungsfelder vorhanden sind. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab diese Strömungsfelder zu analysieren, deren Strömungsphysik zu erklären und mögliche Ursachen für die Effektivität räumlich oszillierender Strahlen in verschiedenen Anwendungen zu identifizieren. Das fundamentale Strömungsfeld räumlich oszillierender Strahlen mit und ohne Querströmung wird experimentell untersucht. Auf Grund der Dreidimensionalität und der zeitlichen Abhängigkeit, weisen die Strömungsfelder eine hohe Komplexität auf. Die Untersuchung wird daher in einzelne Zwischenschritte aufgeteilt. Die Zwischenschritte und ihre Resultate sind in vier Veröffentlichungen zusammengefasst und bilden die Basis der vorliegenden kumulativen Dissertation. Um eine passende Phasenmittelungsmethode für einen räumlich oszillierenden Strahl zu entwickeln, wird die Eignung verschiedener Phasenmittelungsansätze verglichen. Die Phasenmittelung anhand eines Drucksignals aus dem Oszillatorinneren wird als eine passende Methode identifiziert. Sie ermöglicht die zeitliche Auflösung des internen Strömungsfeldes eines fluidischen Oszillators. Das gewonnene Strömungsfeld ermöglicht die oszillationsverursachende, interne Dynamik zu analysieren. Dadurch wird gezeigt, dass der Volumenstrom durch die Rückführkanäle der treibende Parameter hinter der Oszillationsfrequenz ist. Die interne Dynamik verursacht neben der räumlichen Oszillation auch eine zeitliche Oszillation der Strahleigenschaften, wie zum Beispiel Massenstrom und Impuls. Die Untersuchung des internen Strömungsfelds wird erweitert durch eine Analyse des dreidimensionalen externen Strömungsfeldes eines räumlich oszillierenden Strahls in ruhender Umgebung. Im Strömungsfeld sind Kopfwirbel zu erkennen, welche zum Zeitpunkt der maximalen Auslenkung des Strahls gebildet werden. Die quantitative Analyse der Strahleigenschaften weist darauf hin, dass die Mischungseigenschaften im Vergleich zu einem konventionellen Freistrahl deutlich verbessert sind. Anhand der Strahlkraft wird deutlich, dass der Strahlimpuls in den meisten Studien, welche räumliche oszillierende Strahlen für die Strömungskontrolle verwenden, unterschätzt wird. Die Erfahrungen der ersten Studien hinsichtlich der Erfassung dreidimensionaler Daten und Phasenmittelungsmethoden ermöglichen das komplexe, dreidimensionale, zeitaufgelöste Strömungsfeld eines räumlich oszillierenden Strahls in Interaktion mit einer Querströmung zu untersuchen. Es zeigt, dass der räumlich oszillierende Strahl eine deutlich größere Fläche stromab der Düse beeinflusst als ein stetiger Strahl. Zudem sind dominante, in Strömungsrichtung gerichtete Wirbel im Strömungsfeld vorhanden. Es wird angenommen, dass diese Wirbel ein Grund für die hohe Effektivität räumlich oszillierender Strahlen in der Strömungskontrolle sind. Die Wirbel lassen sich durch eine Analogie zu wirbelerzeugenden Strahlen mit veränderten Ausblaswinkeln erklären. Bei hohen Strouhal-Zahlen bildet sich hinter der Düse ein beständiger Nachlauf, da sich die Querströmung nicht mehr an den sich ändernden Ausblaswinkel anpassen kann. Es wird vermutet, dass sich das Strömungsfeld mit weiter zunehmender Strouhalzahl einem zeitlich unabhängigen Zustand annähert. Die Ergebnisse der einzelnen Publikationen werden hinsichtlich ihre Anwendbarkeit und Übertragbarkeit diskutiert. Mögliche Defizite der vorliegenden Arbeit werden erörtert und die Bedeutung der Strömungsfeldeigenschaften hervorgehoben. Zusätzlich werden Verbesserungsvorschläge gemacht welche diese Eigenschaften für bestimmte Anwendungen optimieren.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7981
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7144
Exam Date: 19-Apr-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 29-Jun-2018
DDC Class: 532 Mechanik der Fluide, Mechanik der Flüssigkeiten
Subject(s): Spatially oscillating jet
fluidic oscillator
fundamental flow field
räumlich oszillierender Strahl
fluidischer Oszillator
fundamentales Strömungsfeld
Sponsor/Funder: DFG, 289230680, Die Interaktion zwischen einem räumlich oszillierenden Strahl und einer Querströmung
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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