frekventni odziv turbulentnog osnosimetri~nog...

Dejan Cvetinovi}1, Svetislav ântrak2,Jaroslav Tihon3, Jirì Draho{3

1 Laboratorija za termotehniku i energetiku, Institut za nuklearne nauke „Vin~a”, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija2 Ma{inski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija3 Institut za osnovne hemijske procese (ICPF), Akademija nauka ê{ke Republike, Prag, ê{ka Republika

Frekventni odziv turbulentnog osnosimetri~nogmlaza vazduha na modifikaciju zvu~nimoscilacijama iz spoqa{weg izvora pobudeOriginalni nau~ni radUDC: 536.24:532.525

Predmet istraìvawa je turbulentni osnosimetri~ni mlaz vazduha koji isti~eu mirnu okolnu sredinu, fluida istih karakteristika, iz mlaznica razli~itogoblika, koji udara o ravnu zagrejanu podlogu postavqenu normalno na osu mlaza.Ciq istraìvawa je da se eksperimentalno dubqe istraì i objasni uticajzvu~nih oscilacija na karakteristike mlaza kao i vrtlo`nih struktura u tur-bulentnom osnosimetri~nom mlazu i da se ispita mogu}nost kontrole vrtlo`-nih struktura za koje se pretpostavqa da imaju dominantnu ulogu u procesuprenosa toplote. Kao sredstvo kontrole vrtlo`nih struktura u mlazu sukori{}ene na ve{ta~ki na~in izazvane modulacije brzine mlaza na izlazu iz mlaz-nice. U radu su prikazani rezultati dela eksperimentalnog istraìvawa koje jeobavqeno u Institutu za hemijske procese Akademije nauka ê{ke Republike uPragu, uz kori{}ewe spoqa{weg izvora zvu~nih oscilacija za modifikaciju mlaza.Frekventni odziv turbulentnog osnosimetri~nog mlaza vazduha na modifi-kaciju zvu~nim oscilacijama moèmo videti upore|ivawem profila filterova-nih signala brzine uskopropusnim filterom sa profilima u slobodnom mlazu ipri udaru o ravnu podlogu. Prikazani profili nam omogu}uju da odredimo koji deooscilacija u modifikovanom turbulentnom osnosimetri~nom mlazu je odgovoranza maksimume u profilima intenziteta turbulencije.Iz obimnih eksperimentalnih podataka, dobijenih u {irokom dijapazonu radnihuslova formirana je zna~ajna baza podataka iz koje su, posle detaqne analize iobrade podataka, izvu~eni zakqu~ci o uticaju modifikacije turbulentnog osno-simetri~nog mlaza zvu~nim oscilacijama, kao i posrednom uticaju na prenos top-lote pri udaru mlaza o ravnu zagrejanu podlogu i time je dat doprinos detaqnijemispitivawu ovog fizi~kog fenomena.

Kqu~ne re~i: turbulentni osnosimetri~ni mlaz, modifikacija zvu~nimoscilacijama, prelaèwe toplote sa mlaza na ravnuzagrejanu podlogu, eksperimentalno ispitivawe

Uvod

Mlazevi fluida koji udaraju o neku prepreku se koriste u industriji za hla-

|ewe i/ili grejawe, zbog visokog koeficijenta prenosa toplote koji je mogu}e

ostvariti u ovakvim procesima. Primewuju se u izradi za{titnih visokootpornih

D. Cvetinovi} i dr.: Frekventni odziv turbulentnog osnosimetri~nog mlaza ...TERMOTEHNIKA, 2009, XXXV, 3-4, 205–219

205

neprobojnih stakala i otvrdwavawu preciznih leàjeva od ner|aju}eg ~elika, u

ma{inama za zavarivawe, procesu su{ewa papira i danas najpoznatijem primeru

primene ove tehnologije, hla|ewu turbinskih lopatica. Za optimizaciju ovih siste-

ma neophodno je poznavawe parametara koji uti~u na postizawe visokog koefici-

jenta prenosa toplote. Poznato je da je koeficijent prenosa toplote sa mlaza na

povr{inu, ili obrnuto, sloèna funkcija vi{e parametara: Rejnoldsovog (Reynolds)

broja (Re), Prandtlovog (Prandtl) broja (Pr), bezdimenzionog rastojawa mlaznice od

udarne podloge (L/D), bezdimenzionog radijalnog rastojawa od zaustavne ta~ke du`

udarne podloge (r/D), itd. Uticaj geometrije mlaznice, ograni~ewe toka fluida u

prisustvu zidova kanala, turbulencija i preraspodela tem per a ture u samom mlazu su

se tako|e pokazali kao veoma zna~ajni i svako ozbiqno istraìvawe treba da ih uzme

u obzir [1–5].

Predmet ovog istraìvawa je turbulentni osnosimetri~ni mlaz vazduha,

nemodifikovan i modifikovan zvu~nim oscilacijama, koji isti~e u mirnu okolnu

sredinu sa fluidom istih karakteristika, koji na svom putu udara o podlogu pos-

tavqenu normalno na wegovu osu.

Ciq istraìvawa je da se objasni uticaj modifikacije zvu~nim oscilacija-

ma na vrtlo`ne strukture u turbulentnom osnosimetri~nom mlazu i da se ispita

mogu}nost kontrole ovih struktura za koje se smatra da imaju dominantnu ulogu u

procesu prenosa toplote. Kao sredstvo kontrole vrtlo`nih struktura u mlazu ovde

su kori{}ene modifikacije turbulentnog osnosimetri~nog mlaza kontrolisanom

modulacijom brzine mlaza na izlazu iz mlaznice.

Nastanak vrtlo`nih struktura je iniciran malim promenama u smi~u}em

sloju i na svom putu od mlaznice biva poja~an zbog nestabilnosti smi~u}eg sloja,

sl. 1(a). Male poreme}aje mogu izazvati slu~ajni zvu~ni talasi koji dopiru iz oko-

line, bilo da dolaze sa mesta koji je niz ili uz struju. Ovde upotrebqena modulacija

brzine na izlazu mlaznice je dodatni izvor poreme}aja koji prevazilazi prirodne

izvore poreme}aja ako je modulacija dovoqno jaka, sl. 1(b). Tada modulacija brzine na

izlazu iz mlaznice kontroli{e po~etnu pojavu vrtloga, a samim tim i vrtlo`nu

strukturu mlaza.


206

Slika 1. Vrtlo`ne strukture pri udaru mlaza o ravnu podlogu(a) nepobu|en mlaz, (b) mlaz sa modifikovanom brzinom na izlazu iz mlaznice

Eksperimentalna instalacija i eksperimentalne metode

Eksperimentalna postavka sa spoqa{wim izvorom modifikacija u mlazu,

koja se nalazi u Institutu za hemijske procese ‡ ICPF u Pragu, je {ematski prikazana

na sl. 2. Sastoji se od udarne plo~e, konvergentne mlaznice uzdu`nog popre~nog

preseka u obliku zvona, komore za pripremu fluidnog toka, sistema za uno{ewe kon-

trolisanih poreme}aja u fluidni tok, sistema za snabdevawe radnim fluidom i

sistema za kontrolu i sakupqawe eksperimentalnih podataka.

Mlaznica kori{}ena u

eksperimentima, pre~nika

25 mm, ima unutra{wi ob-

lik zvona ~ija se izvodnica

moè interpolirati poli-

nomom ~etvrtog reda. Mlaz-

nica je napravqena od plas-

ti~nog materijala. Hrapa-

vost unutra{wosti mlazni-

ce se moè prikazati obli-

kom trougla visine 0,1 mm i

uslovqena je tehnologijom

obrade. Izlazna ivica mla-

znice je zako{ena za oko

0,75 mm, tako|e usred kor-

i{}ene tehnologije obrade.

Komora za pripremu fluid-

nog toka je napravqena od

PVC cevi, pre~nika 180 mm

i duìne 650 mm.

Vazduh ulazi u pripremnu komoru kroz dve cevi pri~vr{}ene na sredini i

prolazi kroz ~etiri mreè za umirewe turbulencije i dva sa}asta usmeriva~a

fluidnog toka. U posledwem delu komore se nalaze senzori pritiska i tem per a ture.

Senzor tem per a ture ima pre~nik od 1,7 mm i wegov kraj je postavqen na otprilike 30

mm od zida pripremne komore u toku fluida. Na zadwem delu komore je postavqen

zvu~nik za uno{ewe kontrolisanih poreme}aja u fluidni tok. Ovaj zvu~nik sredwih

tonova je pre~nika 100 mm. Maksimalno pomerawe mem brane zvu~nika je 2 mm.

Zvu~nik je postavqen iza dve dodatne mreè i sa}astog elementa u zatvorenoj kutiji

koja spre~ava preno{ewe talasa pritiska izvan komore za pripremu fluidnog toka.

Komora je montirana tako da klizi po metalnoj {ini, {to omogu}ava laku promenu

udaqenosti izme|u mlaznice i udarne plo~e bez naru{avawa normalnosti izme|u

ose mlaza i ravni udarne podloge. Vazduh je obezbe|ivan iz laboratorijskog sistema

za snabdevawe komprimovanim vazduhom. Komprimovan vazduh je prvo filtriran i

su{en.

Za stabilizaciju pritiska su kori{}ena dva redno vezana prigu{na ventila

za redukciju pritiska, jer je laboratorijski izvor napajawa vazduhom varirao izme|u


207

Slika 2. Eksperimentalna instalacija sa spoqa{wimizvorom modifikacija u mlazu ‡ ICPF

2 i 6 bar. Protok je regulisan igli~astim ventilom koji je bio integralni deo

rotametra. Rotametar je kori{}en samo za grube informacije o protoku fluida.

Senzor pritiska, koji je merio pritisak u pripremnoj komori, kori{}en je za

precizno merewe protoka. Udarna plo~a je napravqena od organskog stakla oblika

kvadrata stranice 600 mm (24D).

Za potrebe eksperimenata obavqenih u ICPF kori{}ene su komercijalno

dostupne sonde tipa Dantec 55P11 sa jednim senzorskim vlaknom i pravim drà~ima

senzorskog vlakna, kao i Dantec 55P13 sa jednim senzorskim vlaknom i zakrivqenim

drà~ima senzorskog vlakna ‡ dizajnirana za merewa u grani~nom sloju u blizini

podloge. Senzorsko vlakno je bilo izra|eno od volframske ìce pre~nika 5 mm i

duìne 1,25 mm. Sonda je radila kao senzor za merewe brzine u modu konstantne tem -

per a ture sa Dantec Stream line anemometrom. Kao vrednost sredwe tem per a ture mlaza u

eksperimentima uvek je kori{}ena vrednost signala sa temperaturskog senzora

Stream line anemometra. Sonda je postavqena na 2D traverznom mehanizmu sastavqe-

nom od Iselovih (Isel) elemenata. Postoqe traverznog mehanizma je bilo ukru}eno i

spre~eno od pomerawa u bilo kom pravcu. Isel elektronika je kontrolisana

kontrolnim sistemom sopstvene izrade, koji se sastojao od Advantech PCL-839+ PCI

kontrolne kartice ugra|ene u ra~unar. Rezolucija sistema u obe ose kretawa je bila

0,025 mm. Traverzni mehanizam je bio postavqen na postoqe koje je bilo zajedni~ko

za oslawawe i udarne plo~e i sistema sa mlaznicom. Ceo sistem bio je dovoqno ~vrst

da elimini{e sve nepoèqne vibracije. Vreme potrebno za prigu{ivawe vibracija

malih amplituda, izazvanih pomerawem sonde iz jednog mernog poloàja u drugi,

bilo je kra}e od 0,5 s.

Pritisak u pripremnoj komori meren je diferencijalnim pretvara~em

pritiska ‡ BHV-1000, opsega od 1 kPa i garantovane preciznosti u opsegu merewa

od 1 Pa. Najve}i deo gre{ke mogao je biti izazvan promenom elektronskog ofseta u

toku izvo|ewa eksperimenata. Stoga su preciznija merewa izvo|ena pode{avawem

ofseta ure|aja pre o~itavawa vrednosti.

Zvu~nik, koji je kori{}en kao spoqa{wi kontrolisani izvor modifika-

cija u mlazu, je napajan sa analognog izlaza akvizicione kartice, ~iji signali su

poja~avani poja~iva~em od 50 W sa ravnom karakteristikom frekventnog odziva u

opsegu od 3 Hz do 40 kHz.

U eksperimentima su kori{}ena dva ra~unara, za potrebe kontrole i vo|e-

wa eksperimenta, skupqawe podataka i wihovu obradu. Jedan od ra~unara, bio je

vode}i i kori{}en je za kontrolu eksperimenta, skupqawe podataka i wihovu

obradu. Za prikupqawe podataka kori{}ena je 12-bitna, 250 kS/s, akviziciona

kartica Na tional In stru ments PCI-MIO-16E-4. Softver koji je kontrolisao eksperi-

ment razvijen je za potrebe ovog eksperimenta kori{}ewem Na tional In stru ments

Labview 6.0 programskog paketa.

Drugi ra~unar, kori{}en je za upravqawe Stream line anemometrom. Ovaj

ra~unar je kontrolisao merewe elektri~nog otpora sonde, regulisawe pregrejavawa

sonde, pode{avawe nivoa odziva senzora i filtera i za pode{avawe kondicionera

signala. Ovaj ra~unar nije kori{}en za skupqawe podataka sa merewa.


208

Za vreme merewa poqa brzine, sonda je postavqena na traverzni mehanizam,

koji je sondu pomerao na unapred definisane pozicije u mernoj mreì. Za vreme eks-

perimenata merewa brzinskog poqa udarna plo~a se nije grejala i wena temperatura

bila je ista kao i temperatura okolnog vazduha. Sig nal sa anemometra zajedno sa

signalima pobude zvu~nika, mera~a pritiska i senzora za temperaturu su beleèni u

svakoj ta~ki mreè, da bi se kasnije obra|ivali.

Veliki deo eksperimenata obavqen je u modifikovanom fluidnom toku [6, 7].

Na osnovu preliminarnih testova utvr|eno je da ako je napajawe zvu~nika konstant-

no, intenzitet poreme}aja zavisi direktno od frekvencije modifikacije. To je,

verovatno, posledica rezonancije u pripremnoj komori. Promenqiv intenzitet

modifikacije bi onemogu}io pore|ewe rezultata izmerenih na razli~itim frek-

vencijama. Stoga je napon na zvu~niku potreban za postizawe zahtevanog intenziteta

modifikacije, odre|en pre eksperimenata, sl. 3.

Za potrebe ovog istraìvawa, intenzitet modifikacije definisan je kao

normalizovano sredwe kvadratno odstupawe (r. m. s.) vrednosti brzine, u'/Ue, u osi

izlaznog otvora mlaznice. Intenzitet poreme}aja se kretao u opsegu u'/Ue = 0,01‡

‡0,03. Na sl. 3 je prikazan potreban napon koji je trebalo dovesti na zvu~nike da bi se

postigao èqeni Strouhalov broj, StD = f×D/Ue, modifikacije i èqeni intenzitet

poreme}aja u zavisnosti od Rejnoldsovog broja strujawa. Iz prikazanih dijagrama


209

Slika 3. Potrebni napon na zvu~niku za postizawe èqene frekvencije i intenzitetamodifikacije fluidnog toka za razli~ite vrednosti Rejnoldsovog broja strujawa

jasno se zakqu~uje da je potreban napon na zvu~niku funkcija intenziteta

modifikacije i brzine na izlazu iz mlaznice. Iako je uslov u'/Ue = const. u toku

eksperimenata bio ispuwen, intenzitet zvuka nastalog usled uno{ewa kontrolisane

modifikacije u fluidni tok je zavisio od frekvencije unesenog poreme}aja i mogao

se jasno ~uti u toku izvo|ewa eksperimenta. Zvuk je bio skoro ne~ujan na nekim

frekvencijama, dok je na nekima bio ~ak neprijatno jak.

Merewe inicijalnih karakteristika mlaza

Profili normalizovane radijalne brzine i intenziteta turbulencije na

izlazu iz mlaznice, bez zvu~ne modifikacije, Re = 10 000, su prikazani na sl. 4.

Profili su mereni u ravni koja je udaqena 0,5 mm niz struju od izlaznog preseka

mlaznice. Iz prikazanih profila se moè videti da je vremenski usredwena brzina

na obodnim ivicama mlaznica za oko 0,4% ve}a od brzine u osi mlaza. I pored veoma

velike rezolucije merewa prime}uje se da su profili veoma ravni i glatki, bez

naglih promena vrednosti, {to dovodi do zakqu~aka da je sam prirodni proces veoma

dobro prikazan rezultatima merewa. Pove}awe intenziteta turbulencije na

radijalnim rastojawima ve}im od r/D = ±0,49 potvr|uje da grani~ni sloj ima tranzi-

cioni karakter, dok je intenzitet turbulencije van grani~nog sloja bio ispod 0,4%

za Re = 10 000. Sa sl. 5 se moè videti da pove}awe Strouhalovog broja pobude u mlazu

dovodi do veoma zna~ajne promene u radijalnim profilima normalizovanog intenzi-

teta turbulencije dok se ni{ta zna~ajno ne de{ava sa radijalnim profilima

normalizovane brzine.

Iz profila prikazanih na sl. 5, na kojima je izabran prikaz sa konstantnom

amplitudom pobude od 1% i Strouhalovim brojem pobude (StD = 0,3 i 0,6) moè se

veoma jasno videti zna~ajan uticaj Rejnoldsovog broja strujawa na po~etne eksperi-

mentalne karakteristike mlaza.


210

Slika 4. Normalizovana brzina i intenzitet turbulencije na izlazu iz mlaznice bez zvuka Re = 10 000

Merewe frekventnog odziva modifikovanogslobodnog mlaza du` ose mlaza

Postupak merewa frekventnog odziva mlaza se obavqao na slede}i na~in:

‡ senzor sa usijanim vlaknom je postavqen na `eqeno rastojawe u osi mlaza;

‡ uspostavqawe ̀ eqene vrednosti brzine na izlazu iz mlaznice (Rejnoldsovog bro-

ja);


211

Slika 5. Raspodela normalizovane brzine i intenziteta turbulencijeu radijalnom pravcu na izlazu iz mlaznice sa i bez zvuka

StD = 0,3–0,6; Re = 10 000–25 000; u'/Ue = 1%

‡ uspostavqawe zvu~ne pobude u mlazu u èqenom opsegu vrednosti frekvencije

(Strouhalovog broja) u definisanim koracima promene.

‡ beleèwe vrednosti sa senzora brzine pri svakoj pojedina~noj vrednosti Strou-

halovog broja.

Vrednosti intenziteta turbulencije kao i vrednosti filterovanih signala

kroz sva tri filtera su beleène za svaku od zadatih frekvencija pobude dovoqno

dugo vremena (nekoliko vremenskih perioda oscilovawa).


212

Slika 6. Zavisnost intenziteta turbulencije du` ose slobodnog mlaza od frekvencijepobude StD = 0,2–4,0; Re = 10000; u'/Ue = 1%; L/D = 1–6

Zavisnost intenziteta turbulencije u brzinskom poqu du` ose slobodnog

mlaza na nekoliko aksijalnih rastojawa od izlaza iz mlaznice prikazana je na sl. 6.

Sig nal brzine je filtriran uskopropusnim filterom tako da propusti samo frek-

venciju pobude f, wen prvi subharmonik f/2 i tre}i subharmonik f/4.

Profili signala brzine filterovanih uskopropusnim filterom, prikaza-

nih na sl. 6, nam poma`u da odredimo koji deo oscilacija u modifikovanom turbu-


213

Slika 7. Zavisnost intenziteta turbulencije du` ose slobodnog mlaza od frekvencijepobude StD = 0,2–2,4; Re = 15 000–20 000; u'/Ue = 2–3%; L/D = 3–4 (prvi deo)

lentnom osnosimetri~nom mlazu je odgovoran za maksimume u profilima intenzite-

ta turbulencije. Za frekvencije spoqa{we pobude oko vrednosti StD = 0,3, prirodna

frekvencija f je odgovorna za maksimum u profilu, {to potvr|uje pretpostavku da se

u blizini ove frekvencije javqa mod sa najve}im prirodnim poja~awem. Za maksimum

u drugoj frekventnoj oblasti za vrednosti Strouhalovog broja StD = 0,6, je odgovoran

prvi subharmonik oscilovawa, f/2. Tre}i maksimum u profilu pripada tre}em


214

Slika 7. Zavisnost intenziteta turbulencije du` ose slobodnog mlaza od frekvencijepobude StD = 0,2–2,4; Re = 15 000–20 000; u'/Ue = 2–3%; L/D = 3–4 (drugi deo)

subharmoniku oscilovawa, f/4. Pona{awe mlaza u ovoj frekventnoj oblasti, 1,0 £ StD £

£ 1,5, karakterisano je velikom nestabilno{}u i skokovito{}u od veoma niskih

vrednosti intenziteta turbulencije do veoma visokih za vrlo male razlike u

frekvencijama spoqa{we pobude. Moè se tako|e primetiti da za vrednosti Strou-

halovog broja ve}e od StD ³ 1,5 skoro potpuno prestaje oscilatorno pona{awe mlaza

koje je pra}eno smawewem vrednosti intenziteta turbulencije sve do najmawe

vrednosti koja se javqa na StD = 2,2. Uo~imo i veoma mali udeo oscilatornog kretawa

u mlazu za ve}a aksijalna udaqewa od izlaza iz mlaznice, tako da za ve}a udaqewa od

L/D ³ 6, skoro da nema uticaja modifikacije.

I pored ograni~enosti snage zvu~nika da postigne èqene am pli tude spo-

qa{we pobude u turbulentnom osnosimetri~nom mlazu na ve}im brzinama strujawa,

prikazanih na sl. 7, i nemogu}nosti da se ostvare neki eksperimentalni uslovi,

potpuno se jasno moè uo~iti da odgovor mlaza na spoqa{wu zvu~nu pobudu zavisi od

Strouhalovog broja pobude i moè biti svrstano u jasno definisane grupe koje su

opisane u prethodnim poglavqima.

Sa pove}awem Rejnoldsovog broja strujawa dolazi do pro{irewa oblasti u

kojima se javqa maksimalna vrednost intenziteta turbulencije, {to moè biti ob-

ja{weno malo kompleksnijim strujawem, ne prvenstveno prouzrokovanog si nu soid-

nim kretawem, {to je slu~aj kad profil intenziteta turbulencije ima jasno izraèn

uzan maksimum u svom profilu.

Merewe frekventnog odziva modifikovanog mlazakoji udara o ravnu podlogu

Zavisnost intenziteta turbulencije u brzinskom poqu prilikom udara

mlaza o ravnu podlogu na nekoliko aksijalnih rastojawa podloge, prikazan je na sl. 8.

Pozicija senzora sa usijanim vlaknom je bila uvek ista u odnosu na udarnu podlogu –

y/D = 0,04 i r/D = 1,1. Sig nal brzine je filtriran uskopropusnim filterom oko

frekvencije pobude f, wenog prvog subharmonika f/2 i tre}eg subharmonika f/4.

Profili signala brzine filterovanih uskopropusnim filterima u sva tri

opsega, pokazuju koji deo oscilacija u modifikovanom mlazu je odgovoran za maksimu-

me u profilima intenziteta turbulencije. Kao {to je to ve} pokazano za slu~aj

slobodnog mlaza, za frekvencije spoqa{we pobude oko vrednosti StD = 0,3, prirodna

frekvencija f je odgovorna za maksimum u profilu, za drugu frekventnu oblast za

vrednosti Strouhalovog broja StD = 0,6, je odgovoran prvi subharmonik oscilovawa,

f/2, dok tre}i maksimum u profilu pripada tre}em subharmoniku oscilovawa, f/4.

Izmereni profili, pokazuju da su se svi vidovi oscilatornog kretawa koje

je postojalo u slobodnom mlazu pre udara mlaza o ravnu prepreku na svom putu o~uva-

li i posle naglog skretawa i prelaska u kretawe u grani~nom sloju uz zid podloge.

Dodu{e, uo~qivo je i da je uticaj tre}eg subharmonika oscilatornog kretawa mawi i

da se maltene gubi pri promeni pravca, dok su ostala dva moda oscilacija jo{ uvek

jako dobro izraèni u kretawu struje du` udarne podloge.


215


216

Slika 8. Zavisnost intenziteta turbulencije u mlazu koji udara o ravnu podlogu odfrekvencije pobude ‡ StD = 0,2–3,2, Re = 10 000–20 000; u'/Ue = 1–3%; L/D = 2–5

Nepromewen odgovor fluidnog toka na spoqa{wu modifikaciju zvu~nim

oscilacijama se moè uo~iti i na vi{im Rejnoldsovim brojevima strujawa kao i

pove}anim po~etnim amplitudama spoqa{we modifikacije.

Zakqu~ak

Vrtlo`ne strukture je mogu}e kontrolisati modifikacijom turbulentnog

osnosimetri~nog mlaza zvu~nim oscilacijama bilo da su one samopobudne [8], bilo na

spoqa{wi na~in unesene u mlaz [5, 6]. Turbulentni osnosimetri~ni mlaz je osetqiv

na modifikacije zvu~nim oscilacijama u {irokom opsegu frekvencija. Zna~ajni

parametar koji odre|uje karakteristike modifikovanog mlaza je bezdimenzioni

Strouhalov broj StD = f×D/Ue. Kao posledica zvu~nih modifikacija dolazi do

periodi~nog smawivawa i pove}awa pre~nika mlaza i talasawa smi~u}eg sloja na

obodu mlaza. Talasawe se poja~ava usled nestabilnosti u fluidnom toku i dolazi do

stvarawa vrtloga u smi~u}em sloju mlaza. Moglo bi da se tvrdi da, modifikacija

turbulentnog osnosimetri~nog mlaza zvu~nim oscilacijama, dovodi do ubrzavawa

stvarawa vrtlo`nih struktura u smi~u}em sloju mlaza. Fizi~ki odziv turbulentnog

osnosimetri~nog mlaza na modifikaciju zvu~nim oscilacijama moèmo videti iz

profila filterovanih signala brzine uskopropusnim filterom, prikazanih na sl.

9. Prikazani profili nam omogu}uju da odredimo koji deo oscilacija u modifi-

kovanom turbulentnom osnosimetri~nom mlazu je odgovoran za maksimume u profi-

lima intenziteta turbulencije.

Za frekvencije spoqa{we pobude oko vrednosti StD = 0,3, prirodna frek-

vencija f je odgovorna za maksimum u profilu, {to potvr|uje pretpostavku da se u

blizini ove frekvencije javqa mod sa najve}im prirodnim poja~awem. Za maksimum u

drugoj frekventnoj oblasti za vrednosti Strouhalovog broja StD = 0,6, je odgovoran

prvi subharmonik oscilovawa, f/2.

Tre}i maksimum u profilu pripada

tre}em subharmoniku oscilovawa, f/4.

Pona{awe mlaza u ovoj frekventnoj

oblasti, 1,0 £ StD £ 1,5, karakterisano

je velikom nestabilno{}u i skokovi-

to{}u od veoma niskih vrednosti in-

tenziteta turbulencije do veoma vi-

sokih za vrlo male razlike u frek-

vencijama spoqa{we pobude. Moè se

tako|e primetiti da za vrednosti

Strouhalovog broja ve}e od StD ³ 1,5

skoro potpuno prestaje oscilatorno

pona{awe mlaza koje je pra}eno smawe-

wem vrednosti intenziteta turbulen-

cije.


217

Slika 9. Zavisnost intenziteta turbulencijeu slobodnom mlazu od frekvencije

modifikacije zvu~nim oscilacijamaStD = 0,2–4,0; Re = 10 000; u'/Ue = 1%; L/D = 3

Izmereni profili intenziteta

turbulencije mlaza koji udara o ravnu

podlogu, sl. 10, ukazuju na to da su se svi

vidovi oscilatornog kretawa koje je

postojalo u slobodnom mlazu o~uvali i

posle naglog skretawa i prelaska u

kretawe u grani~nom sloju uz zid udar-

ne podloge. Uticaj tre}eg subharmoni-

ka oscilatornog kretawa je mawi i

gubi se pri promeni pravca, dok su

ostala dva moda oscilacija jo{ uvek

dobro izraèni u kretawu du` udarne

podloge. Istovetan odgovor fluidnog

toka na spoqa{wu modifikaciju zvu~-

nim oscilacijama se moè uo~iti i na

vi{im Rejnoldsovim brojevima struja-

wa i pove}anim po~etnim amplitudama

spoqa{we modifikacije.

Literatura

[1] Husain, H. S., Hussain, F., Ex per i ments on Subharmonic Res o nance in a Shear Layer, Jour nal of Fluid Me chan ics, 304 (1995), Dec., 343-372

[2] Landreth, C. C., Adrian, R. J., Im pinge ment of a Low Reynolds Num ber Tur bu lent Cir cu larJet onto a Flat Plate at Nor mal In ci dence, Ex per i ments in Flu ids, 9 (1990), 1-2, pp. 74-84

[3] Liu, T., Sullivan, J. P., Heat Trans fer and Flow Struc tures in an Ex cited Cir cu lar Im ping ing Jet,In ter na tional Jour nal of Heat and Mass Trans fer, 39 (1996), 17, 3695-3706

[4] Arsi}, B., Oka, S., Prenos toplote pri upravnom udaru mlaza o ravnu povr{inu,Termotehnika, 3 (1977), 4, 43‡54

[5] ântrak, S. M., Hidrodinamika, IV izdawe, Ma{inski fakultet Univerziteta uBeogradu, 2005

[6] Cvetinovi}, D., Tihon, J. Vejra`ka, J. Draho{, J., Ef fect of Ex ter nal Ex ci ta tions on theAxisymmetrical Air Jet Flow Struc tures – In ves ti ga tions of the Free Jet, Pro ceed ings onCD-ROM (ISBN 80-86059-40-5), 16th In ter na tional Con gress of Chem i cal and Pro cess En gi -neer ing CHISA 2004, Praque, Czech Re pub lic, Au gust 22-26, 2004, pa per p5.237

[7] Cvetinovi}, D., Tihon, J., Vejra`ka, J., Draho{, J., Ef fect of Ex ter nal Ex ci ta tions on theAxisymmetrical Air Jet Flow Struc tures – In ves ti ga tions of the Jet Im ping ing on a Flat Sur -face, Pro ceed ings on CD-ROM (ISBN 80-86059-40-5), 16th In ter na tional Con gress of Chem i -cal and Pro cess En gi neer ing CHISA 2004, Praque, Czech Re pub lic, Au gust 22-26, 2004,pa per p5.236

[8] Cvetinovi}, D., Ukai, M., Nakabe, K., Suzuki, K., Ve loc ity Mea sure ments and Flow Struc tureVi su al iza tions of a Self-Sus tained Os cil lat ing Jet, Ther mal Sci ence, 10 (2006), 2, 113-125


218

Slika 10. Zavisnost intenzitetaturbulencije u mlazu koji udara o ravnu

podlogu od frekvencije pobudeStD = 0,2–4,0; Re = 10 000; u'/Ue = 1%; L/D = 3

Fre quency Re sponse of Tur bu lent AxisymmetricAir Jet on Externaly Sup plied Acous ticOs cil la tions Mod i fi ca tion

by

Dejan CVETINOVI]1, Svetislav ^ANTRAK2,Jaroslav TIHON3, Jiří DRAHO[3

1 Lab o ra tory for Ther mal En gi neer ing and En ergy, Vin~a In sti tute of Nu clear Sci ences, Uni ver sity of Bel grade, Bel grade, Ser bia2 Fac ulty of Me chan i cal En gi neer ing, Uni ver sity of Bel grade, Bel grade, Ser bia3 In sti tute of Chem i cal Pro cess Fun da men tals (ICPF), Acad emy of Sci ences of the Czech Re pub lic, Prague, Czech Re pub lic

The sub ject of this work is the sub merged, round, un con fined tur bu lentaxisymmetric jet, which is sues from noz zles with dif fer ent ge om e tries and im pinges to the flat heated plate po si tioned nor mally to the jet axis. The aim of ex per i men tal in ves ti ga -tions is to widely in ves ti gate prop er ties and the vor tex struc tures, that are as sumed tohave great im por tance in the heat trans fer pro cess, of the mod i fied tur bu lentaxisymmetric jet by acous tic mod u la tions and, ad di tion ally, to study the pos si bil ity oftheir con trol. The con sid ered mean of vor tex struc tures con trol is a mod u la tion of thenoz zle exit ve loc ity us ing ex ter nal source of low-am pli tude os cil la tions and self-sus tainedos cil la tions gen er ated in the op er a tion of the spe cially de signed noz zles. Ex per i men talin ves ti ga tion of tur bu lent axisymmetric jet mod i fi ca tion by ex ter nal ex ci ta tions that werepro vided at the In sti tute of Chem i cal Pro cess Fun da men tals, Acad emy of Sci ences of theCzech Re pub lic, Prague, Czech Re pub lic, are pre sented in the pa per.

Fre quency re sponse of tur bu lent axisymmetric air jet on ex ter nally sup pliedacous tic mod i fi ca tion can be in ves ti gated from bend fil tered ve loc ity sig nals of free jetand im ping ing jet con fig u ra tion, ob tained by hot-wire anemometry. From tur bu lence in -ten sity pro files can be dis tin guished re spon si bil ity of some os cil lat ing modes for be hav iorof the acoustically modified jet.

Very ex ten sive set of ex per i men tally col lected data from var i ous kinds of ex per i -men tal tech niques used in the wide range of ex per i men tal work ing con di tions is used forrel e vant ex per i men tal data base build ing.

Key words: tur bu lent axisymmetric jet, acous tic os cil la tions mod i fi ca tion, im ping ing jetheat trans fer, ex per i men tal in ves ti ga tion

Odgovorni autor / Cor re spond ing au thor (D. Cvetinovi})E-mail: [email protected]


219

frekventni odziv turbulentnog osnosimetri~nog...

Documents