Untersuchung der Vermischung einphasiger Fluide in einer Jet-in-Crossflow Anordnung mittels laserdiagnostischer Verfahren

Die Jet-in-Crossflow-Strömungsanordnung ist eine geometrisch einfache Strömungskonfiguration, bei der ein Freistrahl senkrecht in eine gleichmäßige Querströmung eingedüst wird und beide Strömungen miteinander vermischt werden. Diese Strömungsanordnung findet man häufig in industriellen Anwendungen und in der Natur. Beispiele hierfür sind industrielle Brenner, RQL-Gasturbinen, T-Mischer, Rauchfahnen von Schornsteinen und Vulkanen, Düsenstrahlen von Fluggasturbinen und Raketen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die quantitative experimentelle Untersuchung einer Jet-in-Crossflow-Anordnung mit dem Ziel, vollständige statistische Informationen zu gewinnen, insbesondere über die Reynolds-Flüsse und -Spannungen, deren experimentelle Bestimmung für die Erstellung und Validierung numerischer Turbulenzmodelle von großer Bedeutung ist. ... mehrMit dem simultanen Einsatz zweier laserdiagnostischer Verfahren, der 2d-LIF (zweidimensionale laserinduzierte Fluoreszenz) sowie der PIV (Particle Image Velocimetry), konnten 2d-Konzentrations- und Geschwindigkeitsfelder gleichzeitig ermittelt und die genannten Größen unmittelbar bestimmt werden.
Dafür wurde eine Anlage so konzipiert und aufgebaut, dass ein möglichst breiter Re-Zahl-Bereich der beiden Strömungen abgedeckt werden kann. Der gesamte experimentelle Aufbau besteht aus: den Zuleitungssystemen für den Crossflow und für die Jet-Strömung und dem eigentlichen JCF-Strömungskanal. Für die in dieser Arbeit angewendete Messtechnik, zweidimensionale Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) simultan mit Particle Image Velocimetry (PIV), benötigt man als Lichtquelle einen frequenz-verdoppelten Nd:YAG-Laser (Quantel Brilliant), dessen Laserpuls mit Hilfe eines Galilei-Teleskops zu dem für die Versuche verwendeten Laserschnitt aufgeweitet und über den optischen Zugang (Quarzglasfenster) in die Messstrecke geleitet wird.
Die in dieser Schnittebene entstehenden Signale, einerseits das durch die beiden Strömungen beigemischten Öltröpfchen hervorgerufene Streulicht bei 532 nm und andererseits die breitbandige Fluoreszenz (ca. 540 nm - 700 nm) des angeregten molekularen Tracers (NO2), werden senkrecht zur Orientierung des Laserlichtschnitts auf den entsprechenden Sensor der jeweiligen CCD-Kamera abgebildet. Wesentlicher Bestandteil der Detektionsoptik ist ein dichroitischer Spiegel, der die spektrale Trennung der bei unterschiedlichen Wellenlängen emittierten Lichtsignale bewirkt. Das von den Tracertröpfchen verursachte Streulicht wird von einer CCD-Kamera erfasst. Eine intensivierte CCD-Kamera dient zur Aufnahme der vom molekularen Tracer erzeugten Fluoreszenz. Gewonnen wurden experimentelle Daten für verschiedene Anfangs- und Strömungsbedingungen einer JCF-Konfiguration. Hierbei wurden Messungen sowohl auf horizontalen Messebenen bei verschiedenen Höhen als auch vertikal an der Symmetrie-Ebene mit dem erwähnten 2d-LIF/PIV-Messverfahren vorgenommen. Ermittelt wurden aus Single-Shot-Experimenten Felder der gemittelten Geschwindigkeiten und Konzentration sowie Größen, die die Fluktuation der Strömung darstellen. Darüber hinaus wurden Varianzen der Konzentration, Turbulenzintensitäten und insbesondere Reynolds-Flüsse und -Spannungen erfasst. Die experimentellen Ergebnisse wurden dann mit LES- und DNS-Simulationen der Strömung von Denev et al. verglichen.
Aus der Arbeit ist zu entnehmen, dass die letztgenannten Größen, die Reynolds-Flüsse und -Spannungen, den turbulenzbedingten erhöhten Stoffaustausch einer turbulenten gegenüber einer laminaren Strömung widerspiegeln und damit in engster Verbindung mit Vermischungsvorgängen stehen. Beim Vergleich zwischen experimentellen Ergebnissen und numerischen Daten wurde eine gute Übereinstimmung mit den Simulationen von Denev et al. gefunden, dies trotz der Komplexität der vorhandenen Strukturen und des geringen Maximalwertes der Fluktuationen. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse der Untersuchungen darauf hin, dass das gegensinnig rotierende Wirbelpaar (CRVP) eine charakteristische kohärente Wirbelstruktur einer Jet-in-Crossflow-Konfiguration ist, die einen signifikanten Einfluss auf die Größenordnung der komplizierten und schwankenden Größen und damit auf das Mischverhalten beider Strömungen hat. Letzteres ist mit der Einführung eines verdrallten Jets bestätigt worden. Dieser führt zu einer Vernichtung des CRVP und damit zu einer Beeinträchtigung der resultierenden Mischgüte.
Für künftige Forschungen wäre es ratsam, den Einfluss der verschiedenen Wirbel-Strukturen eines JCF auf die hier genannten Größen zu untersuchen. Zusätzlich wäre die Anwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera von Vorteil, um eine hohe zeitliche Auflösung der Strukturen zu erfassen.

The Jet-in-Crossflow arrangement (JCF) is an apparently very simple flow configuration, in which a jet is injected perpendicularly to a uniform crossflow. This flow configuration is frequently found in various industrial applications, in aviation, space flights as well as in nature. Examples are industrial burners, RQL-gas turbines, tube-T-mixers, plumes from chimneys, engine exhaust gas pipes, cooling towers, flare tubes, vertical take-off jet aircrafts, rockets and volcanoes as well as discharges of effluents in rivers. The objective of this work is the experimental research of a Jet-in-Crossflow-arrangement, with the aim of obtaining the whole statistical information, particularly about the Reynolds-fluxes and -stresses, whose experimental determination is of special interest with respect to the research of turbulence phenomena and mixing processes and for the development and validation of models for the Reynolds-fluxes and -stresses.
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For this purpose a facility was designed and built, so that a wide Reynolds-number range could be reached for both flows. The total arrangement of the JCF comprised three major parts: a) a feed pipe system for the crossflow, b) a feed pipe system for the jet-flow and c) the wind tunnel.
A frequency-doubled, double pulse Nd:YAG-laser (Quantel TWINS Brilliant) is used as a light source for the employed technique of measurement, simultaneous LIF- and PIV-measurements. The laser beam is expanded into a light-sheet by means of a Galilean-telescope and directed into the probe volume through the optical access (quartz glass windows).The signals originated in the measuring plane, the scattered light at 532 nm from the aerosol droplets added to both flows, as well as the broadband Stokes-shifted fluorescence from the molecular tracer NO2 (540 nm - 700 nm) are imaged perpendicular to the propagation direction of the laser beam onto appropriate CCD-cameras. For the PIV-signal an unintensified and for LIF-signal an intensified CCD-camera are used. Both signals are separated from each other by a dichroic plate, which reflects the wavelength of the frequency-doubled Nd:YAG-laser and transmits wavelengths > 540 nm.
Experimental data was obtained for different initial and flow conditions of JCF configuration. The measurements were performed in both, horizontal planes at different heights and the vertical plane at the plane of symmetry with the mentioned 2D LIF / PIV-measurement method. Fields of averaged velocities and concentrations as well as values that represent the fluctuation of the flow were estimated. In addition, standard deviations, turbulence-intensities and length-scales and in particular Reynolds-fluxes and -stresses could be determined. The experimental results were then compared to LES and DNS simulations of the flow carried out by Denev et al.
The results show that these quantities, the Reynolds-fluxes and -stresses, reflect the enhanced fluxes of a turbulent flow compared to a laminar one. These quantities are of special concern for mixing-processes. By comparing experimental results and numerical data a good agreement with the simulations of Denev et al. was found, despite the complexity of the structures and the small maximum values of the fluctuations. In addition, the results of the research indicate and confirm, that the characteristic coherent vortex structure of a jet-in-crossflow, the counter-rotating vortex pair (CRVP), leads to both, a significant impact on the magnitude of the complex and fluctuating quantities, as well as on the mixing behavior of both flows. The latter has been confirmed with the introduction of a swirled jet. At this juncture, the CRVP was destroyed and also the resulting mixing quality affected.
For further research it would be advisable to examine the influence of various vortex structures of JCF on the physical quantities mentioned above. In addition, the employment of a high-speed camera would be beneficial to take a higher temporal resolution of the structures.