Author:

Keywords:

applied combustion

Abstract:

Wervelende stromingen komen vaak voor in de industrie. Omwille van hun gunstige eigenschappen vindt men ze vaak terug in verbrandingsprocessen, zoals motoren of gasturbines. Werveling maakt het mogelijk om binnen dezelfde geometrie verschillende vlampatronen te verkrijgen. Vermits de koude stroming (stroming zonder verbranding) de drijvende kracht is achter deze transitie van vlampatronen is kennis ervan essentieel in het begrijpen van het verbrandingsproces. Daarom is het doel van deze thesis dan ook het onderzoek naar de wervelende stroming in een axisymmetrische geometry die model staat voor een wervelbrander. De afmetingen van de opstelling zijn gebaseerd op een design van een wervelbrander door het IFRF. Deze geometrie is dan geoptimaliseerd om een zo groot mogelijke verscheidenheid te krijgen aan stromingspatronen, ieder met zijn specifieke eigenschappen. De stromingspatronen bij 9 verschillende wervelgetallen werden experimenteel opgemeten met behulp van de LDA snelheidsmeettechniek. Niet alleen de gemiddelde snelheidsvelden, maar ook 3 componenten van de Reynoldsspanningen zijn beschreven. In een cyclus van toenemende werveling tot maximum en vervolgens een afname van werveling werden 4 stromingspatronen geidentificeerd die onderhevig zijn aan hysteresis tussen toenemende en afnemende werveling. Als aanvulling op de experimentele werd er ook een numerieke studie uitgevoerd. De bewegingsvergelijkingen werden opgelost met behulp van de RANS benadering. Twee verschillende turbulentiemodellen werden gebruikt en hun capaciteiten op het voorspellen van de stromingspatronen werden uitvoerig getest. Naast de experimentele en de numerieke analyse is er ook een theoretische studie gemaakt van het stromingsgedrag. Gebaseerd op de gelijkvormigheid van loshechting in wervelende stromingen is er een mechanistisch model opgesteld dat een verklaring geeft voor de geobserveerde phenomenen. Ook werd er gekeken naar de invloed van de geometrie van de straaltuit op de stromingspatronen. Het is gebleken dat de verschillende straaltuiten met elkaar scaleren. De verkregen correlaties kunnen dan dienen als een database in de ontwikkeling van straaltuiten voor zowel koude stromingstoepassingen als voor verbranding. Tenslotte werd er een straaltuit ontworpen die het mogelijk maakt om een overgang van stromingspatroon te verkrijgen zonder gebruik te maken van werveling. De controle van deze transitie gebeurt aan de hand van dwarsinjectie van secundaire straalstromen. Deze dwarsinjectie vervangt dan de werveling als controleparameter van het stromingspatroon. De verkregen resultaten met de PIV snelheidsmeettechniek tonen deze transitie aan als een alternatief voor stromingscontrole met zijn voordelen ten opzichte van de reeds bestaande technieken.