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Modal and statistical analysis of the compressible round impinging jet considering turbulent inflow, system geometry and cross-flow effects
Camerlengo, Gabriele
Impinging jets appear both in nature and in various engineering systems, where they are predominately used because they can serve as very efficient cooling devices. However, the physical mechanism governing the heat transfer near the plate is still not fully understood, because it involves time and length scales that are not easily detected by experiments and not fully resolved by LES or RANS simulations. Conversely, the typical Reynolds numbers of relevant impinging-jet configurations are in a range that allows their analysis through direct numerical simulation (DNS) on modern supercomputers.
The heat transfer of an impinging jet is strongly affected by a vortex system that originates in the shear layer of the jet upstream of the impingement region. Although some DNS studies exist, there are still open questions concerning how this vortex system is affected by realistic conditions, in which (i) the inflow might be turbulent, (ii) the jet might be subject to cross flow or (iii) the impingement plate might be curved. By using data stemming from previous and original DNS studies, this thesis aims at analyzing and comparing the effects of such conditions on the vortex dynamics of the compressible round impinging jet flow and resulting heat transfer. The influence of the nozzle-to-plate distance is also discussed. Dynamic mode decomposition (DMD) was used to highlight relevant features of the flow, such as vortices and instabilities. For the jet with turbulent inflow, a full statistical analysis was performed, which gives insights on the effects of the turbulent fluctuations on the mean flow and can provide valuable information for the development of turbulence models.
Furthermore, the first global linear stability analysis of the round compressible impinging jet at subcritical Reynolds numbers is here presented. The analysis allowed to determine the dependence of the jet natural frequencies on the Reynolds and Mach numbers, as well as the region of the flow most sensitive to external forcing.
Prallstrahlen kommen sowohl in der Natur als auch in unterschiedlichsten technischen Systemen vor, wo sie vor allem zur effizienten Kühlung eingesetzt werden. Der physikalische Mechanismus, der den Wärmeübergang in der Nähe der Platte bestimmt, ist jedoch noch nicht vollständig verstanden, da er Zeit- und Längenskalen umfasst, welche in Experimenten nicht leicht erfasst und in LESs oder RANS-Simulationen prinzipbedingt nicht vollständig aufgelöst werden können. Allerdings liegen die typischen Reynoldszahlen relevanter Prallstrahlkonfigurationen in einem Bereich, der ihre Analyse mittels direkter numerischer Simulation (DNS) auf modernen Supercomputern ermöglicht.
Das Wärmeübergangsverhalten eines Prallstrahls wird stark von Wirbeln beeinflusst, die in der Scherschicht des Strahls stromaufwärts des Aufprallbereichs entstehen. Obwohl DNS-Studien bereits durchgeführt wurden, bleiben noch Fragen darüber offen, wie diese Wirbelstrukturen von realitätsnahen Bedingungen beeinflusst werden, bei denen (i) die Einströmung turbulent, (ii) der Strahl einer Querströmung ausgesetzt oder (iii) die Platte gekrümmt sein kann. Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe von Daten aus früheren und eigenen DNS-Studien den Einfluss solcher Bedingungen auf die Wirbeldynamik des Prallstrahls und den daraus resultierenden Wärmeübergang zu untersuchen und vergleichen. Dynamic Mode Decomposition (DMD) wurde verwendet, um relevante Merkmale der Strömungen, wie Wirbel und Instabilitäten, zu identifizieren. Für den Strahl mit turbulenter Einströmung wurde eine vollständige statistische Analyse durchgeführt, die Aufschluss über die Auswirkungen der turbulenten Schwankungen auf die mittlere Strömung gibt und wertvolle Informationen für die Entwicklung von Turbulenzmodellen liefern kann.
Darüber hinaus wird die erste globale lineare Stabilitätsanalyse des runden kompressiblen Prallstrahls bei unterkritischen Reynoldszahlen vorgestellt. Die Analyse ermöglichte es, die Abhängigkeit der Eigenfrequenzen des Strahls von den Reynolds- und Mach-Zahlen zu bestimmen sowie den Bereich der Strömung zu identifizieren, der am empfindlichsten auf äußere Einflüsse reagiert.
