SUPERVISOR
ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور) احمد سوهان کا راصفهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Reza Rastan
محمدرضا راستان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Numerical and Experimental Study of Flow Control Over a Three Dimensional Structure by Blowing and Suction
Both numerical (Re = 40 - 12000) and experimental (Re = 12000, 22000, 31000) investigations are carried out to study flow control around a finite surface-mounted square cylinder. The suction and blowing are employed through a slot located on the upstream face of cylinder as an active flow control. The current study also investigates the Reynolds number (Re, based on the free stream velocity and cylinder width) and the aspect ratio (AR, cylinder height to width ratio, AR = 2, 4, 7 and AR = 7 for numerical and experimental works, respectively) effects on the flow structures for cases with and without flow control. The suction/blowing parameter, ?, is defined as the ratio of the mean velocity of the secondary flow to the free-stream velocity is changed as -4 ? ? ? 4, where the positive and negative ? representing blowing and suction, respectively. In this work, firstly, three-dimensional (3D) unsteady flow characteristics around a finite wall-mounted square cylinder is investigated for AR = 7 and Re = 40 - 250 via a direct numerical simulation. The results of the first part of this research show that the vortex shedding inception occurs within the range of 75 Re 85. The Re has a considerable effect on the mean wake topology and integral parameters. As such, the wake flow changes from a dipole to a quadrupole type, when the flow changes from steady to unsteady. A transition flow commence at a critical Re within Re =150 - 200, where the wake instabilities are intensified with increasing Re and the force signal oscillation alters from a sinusoidal to a chaotic type. Finally, the wake flow becomes turbulent for Re 200. In the second part of this dissertation, 3D unsteady flow around a finite-wall mounted square cylinder subjected to a steady secondary flow (blowing and suction) from the cylinder’s front face has also been studied with the aid of direct numerical simulations. All simulations of this part were carried out at Re = 250 to investigate the influence of ? (-4 ? ? ? 4) and AR (= 2, 4, 7) on the cylinder forces, vortex shedding frequency, and mean and instantaneous wake structures. The results show that, independent of AR, both blowing and suction have the potential to reduce the time-mean forces (e.g. more than 90% pressure drag reduction), fluctuating forces and vortex shedding frequency. Furthermore, a detailed investigation of vortex evolution revealed that the suction strategy considerably affects the shedding type and wake flow topology. Increasing the suction ratio changes the shedding from symmetric to asymmetric at AR = 4. Conversely, a planar jet attenuates vortical structures in the vicinity of the wall. Jet deflection was observed at ? = 2 and 4, which plays a key role in the success of the control approach and in the determination of the wake flow structure by changing the pressure distribution on the front face. Two critical AR values were determined where the flow and the mean wake structure changed from steady to unsteady (2 AR 3) and from dipole to quadrupole (AR = 4). In the last part of this study, large eddy simulation and wind tunnel experiments are utilized to investigate the turbulent flow characteristics over a finite square cylinder with AR = 7 at Re = 12000 and 22000. Moreover, the investigation of the flow control efficiency at high-Re and also the influence of the jet velocity profile on the performance of the control strategy are examined in this section. Key Words: Finite-wall mounted square cylinder; onset of vortex shedding; transition flow; turbulence flow; Dipole and quadrupole structures; Direct Numerical Simulation; Large Eddy Simulation; Anechoic wind tunnel; Hot-wire; Remote microphone; smoke visualization.
جریان پیرامون سیلندرها از دو منظر شناسایی پدیده های جریان و کاربردهای صنعتی حائز اهمیت است. از سوی دیگر، توسعه و بکارگیری روش های مختلف کنترل جریان بدلیل اهمیت آن در کاربردهای صنعتی و زندگی روزمره از جمله افزایش ایمنی، کاهش مصرف انرژی و کنترل آلودگی های صوتی و زیست محیطی از دیرباز مورد توجه محققان حوزه ی دینامیک سیالات بوده است. در این پژوهش، مطالعه ی جریان حول سیلندر با مقطع مربعی و ارتفاع محدود متصل به صفحه ای تخت (مشابه یک ساختمان) برای بررسی پدیده های جریان و پاسخگویی به ابهامات آن مورد استفاده قرار گرفته است. تحقیق حاضر اثر دو پارامتر نسبت منظری ( AR ، نسبت ارتفاع به عرض وجه سیلندر) و عدد رینولدز ( Re ، بر حسب سرعت جریان آزاد و اندازه مقطع سیلندر) را بر روی ساختارهای جریان مطالعه کرده و همچنین به بررسی مزایا و معایب کنترل این جریان سه بعدی به روش مکش و دمش پرداخته است. نسبت های منظری انتخاب شده در این مطالعه 7، 4، 2 = AR است که شامل هر دو حالت زیر و فوق بحرانی می باشد. از سوی دیگر جریان در بازه ای از اعداد رینولدز پایین (250-40 = Re ) به روش عددی و اعداد رینولدز بالا (22000، 12000 = Re ) به دو روش عددی و تجربی مورد مطالعه قرار گرفته است. تعیین محدوده عدد رینولدز متناظر با شروع ریزش گردابه در نسبت منظری 7 و همچنین بررسی اثر عدد رینولدز و نسبت منظری بر روی ساختار جریان دنباله ی سیلندر و کمیت های انتگرالی اهداف اصلی و نوآوری بخش نخست این تحقیق است که به یک روش عددی با دقتی از مرتبه 2 بررسی شد. یافته های تحقیق شروع ریزش گردابه را در بازه ی عدد رینولدز 85-75 = Re نشان می دهد. همچنین نتایج تحقیق حاکی از آن است که تشدید ناپایداری هایی که منجر به ظهور جریان گذار می شود در بازه ی عدد رینولدز 200-150 = Re رخ می دهد. علاوه بر نتایج فوق، اثر عدد رینولدز بر روی دنباله ی متوسط بسیار قابل توجه است، به نحویکه تغییر الگوی جریان از حالت پایا به ناپایا، تغییر دنباله از حالت دوقطبی به شش قطبی و سپس به چهارقطبی را موجب می شود. در ادامه ی تحقیق 7، 4، 2 = AR در 250 = Re در نظر گرفته شدند. بررسی های صورت گرفته وجود دو نسبت منظری بحرانی را نشان می دهد. بطوریکه در نسبت منظری بحرانی اول بین 2 و 3 تغییر رژیم جریان از حالت پایا به ناپایا دیده می شود و در نسبت منظری 4 ساختارها گذاری از دوقطبی به چهارقطبی را تجربه می کنند. در بخش دوم تحقیق عددی کنترل جریان ناپایای سه بعدی حول سیلندر سه بعدی در 4 = AR و 250 = Re با اعمال مکش یا دمش یکنواخت از شیار واقع بر سطح جلویی سیلندر انجام شد. هدف این بخش تعیین حالت بهینه ای از نرخ دمش و یا مکش است تا کاهش نیروهای آیرودینامیکی و نوسانات نیرویی روی سیلندر رخ دهد و تضعیف ریزش گردابه اتفاق افتد. به این منظور بازه ای وسیع از نسبت نرخ سرعت مکش (منفی) یا دمش (مثبت) به سرعت جریان آزاد (4 ? 4-) در نظر گرفته شد. مشاهده شد که این روش کنترل جریان قادر است که نیروی پسا را بیش از 90% کاهش دهد. نتایج انحراف جت را در 4 و 2 = ? نشان می دهد که نقشی بسزایی در کاهش نیروی پسا دارد. در بخش پایانی پژوهش عملکرد روش کنترل جریان اتخاذ شده بصورت آزمایشگاهی و عددی (شبیه سازی ادی های بزرگ) در 7 = AR و 22000، 12000 = Re مطالعه شد. در این بخش با طراحی دو آرایش مختلف از جت در بخش تجربی و یک آرایش در بخش عددی، اثر توزیع سرعت جریان ثانویه بر ساختارهای جریان و بهر ه وری روش کنترلی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج کاهش چشمگیر نیروی درگ را نشان می دهند اما مقدار کاهش و ساختارهای جریان به پروفیل سرعت جریان ثانویه وابسته است. توزیع سرعت جت از نوع موجی شکل به عنوان حالت بهینه معرفی شد. همچنین با استفاده از نتایج تجربی و عددی طرحی مفهومی برای ریزش گردابه پیرامون سیلندر سه بعدی ارائه شد. مقایسه نتایج جریان های عدد رینولدز پایین (250 = Re ) و بالا حاکی از تشابه پدیده ها و امکان بسط نتایج جریان های عدد رینولدز پایین به جریان های عدد رینولدز بالاست. کلید واژه: سیلندر مربعی محدود، مطالعه ی عددی و تجربی، شروع ریزش گردابه، جریان گذار، دنباله دو و چهار قطبی.