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TU Berlin

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Control of Swirling Flow

3D-Rekonstruktion von PIV-Daten
Darstellung des drei-dimensionalen Strömungsfeldes der global Mode m=1 im Nahfeld einse Drallstrahles mit aufplatzendem Wirbelkern. Die blaue Iso-Fläche representiert die azimuthale Wirbelstärke der phasen-gemittelten Strömung und verdeutlicht das anwachsen einer helikale Instabilität im Randbereich des Strahles. Stromlinien und LIC-Flächen basieren auf der zeitlich gemittelten Strömung und verdeutlichen den Drehsinn der Grundströmung und die Rückströmblase im Zentrum des Strahls. Die Darstellung entstand aus einer 3d-Rekonstruktion von einer Streo-PIV Messung bestehend aus 800 Schnappschüssen.
 
Schematische 3D Rekonstruktion
Schematische Darstellung der 3D Rekonstruktion. (a) Auffinden dominanter Frequenzen;(b) POD Analyse der PIV Daten zur Bestimmung der Phasenlage; (c) Identifizierung von Kohärenten Strukturen und Symmetrie-Ebenen; (d) Rekonstruktion der 3D Daten aus 2D Messungen
 
Animiertes Gif des oszillierenden Strömungsfeldes
Oszillierendes Strömungsfeld der Globalen Mode m=1 berechnet aus linearer Theorie. Stabilitätsanalyse basiert auf der gemessenen mittleren Strömung eines Drallstrahls mit aufplatzendem Wirbelkern.
 
Querschnitte von Stereo-PIV Daten
Querschnitt der angeregten Strömung durch die Rückströmblase eines Drallstrahls mit aufplatzendem Wirbelkerns (x/D=0.57, S=1.22). Konturen zeigen die Phasen-gemittelte axiale Geschwindigkeit. Stromlinien zeigen Wirbel die sich in der äußeren Scherschicht aufrollen. Der schwarze Kreis deutet den Düsendurchmesser an. Alle moden drehen sich mit der Grundströmung.
 
Aufbau Drallstrahl-Experiment
Drall wird durch zwei individuell gesteuerte Volumenströme erzeugt die in der Drallkammer vereint werden. Die Drallzahl kann stufenlos von S=0 bis S=1.5 geregelt werden für Reynoldszahlen Re=0 bis Re=100.000
 

Vortex Breakdown is a very unique feature which takes place in swirling jets.  It is characterized by a sudden expansion of the vortex core and the formation of a recirculation bubble. It appears as if a solid body was placed right in the center of the swirling jet. This flow phenomenon has been observed in vortices generated by airplanes as well as in tornadoes. It is of great importance for industrial applications as swirl stabilized burners, where the recirculation zone is used as a flame holder. The onset of Vortex Breakdown is accompanied by complex three-dimensional vortical structures, also known as coherent structures. They adversely affect the performance of combustors and are known to be the main driver for thermo-acoustic feedback mechanism. This project focuses on the identification and control of these vertical structures. Investigations show that with the onset of Vortex Breakdown a strong coherent structure appears that is caused by a self-excited global instability. Quantitative PIV measurements as well as theoretical considerations predict this mode to be a single helical vortex that is rotating with the base flow.

Key questions of this project are:

  • Can the onset of Vortex Breakdown be explained by hydrodynamic stability theory?
  • Does linear stability theory cope with such non-parallel highly three-dimensional flows?
  • What feedback mechanisms feed the Global mode that is observed in experiments and where is the wave-maker located.
  • How can we actively control the flow field associated with Vortex Breakdown?

Contact: Kilian Oberleithner

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