 |
Sensitivity of jets and shear layers
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124939 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Paál, György |
| Title in Hungarian |
Szabadsugarak és nyírórétegek érzékenysége |
| Title in English |
Sensitivity of jets and shear layers |
| Keywords in Hungarian |
instabilitás, érzékenység, szabadsugár, határréteg, élhang, struktúrális érzékenység, ellenálláscsökkentés |
| Keywords in English |
instabiity, sensitivity, jet, boundary layer, edge tone, structural sensitivity, drag reduction |
| Discipline |
| Technical Mechanics (Council of Physical Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences |
| Department or equivalent |
Department of Hydrodinamic Systems (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Nagy, Péter Tamás
Szabó, András
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2022-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
25.216 |
| FTE (full time equivalent) |
7.44 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
150 éve tényként kezeli a szakirodalom, hogy szabadsugarak zavarásokra legérzékenyebb része a fúvókából való kilépés közvetlen közelében található. Arra vonatkozólag, hogy ennek mi az oka, semmilyen utalást nem lehet találni. A projekt egyik célja annak felderítése, hogy ez miért van így. A vizsgálathoz növekvő komplexitású stabilitáselemzési módszereket használunk, Orr-Sommerfeld egyenlet, nem párhuzamos hatásokat figyelembevevő módosított Orr-Sommerfeld egyenlet, WKBJ, PSE módszerek, adjungált egyenletek. Az érzékenységet az instabilitási hullám növekedési rátájával jellemezzük. Vizsgáljuk az akusztikus és az örvényes gerjesztés közötti különbséget is. A számításokat mérésekkel validáljuk. A szabadsugarak mellett az ún. öngerjesztett áramlásokat is vizsgáljuk, amelyeknél az instabilitási hullámhoz szükséges zavarást az áramlás maga állítja elő visszacsatolás segítségével. A direkt és adjungált módszerek együttes használata az ún. strukturális érzékenység felmérésében segít, ami öngerjesztett áramlások olyan helyeit mutatja meg, ahol a legnagyobb hatékonysággal tudunk beavatkozni az áramlásba.
A másik, gyakorlatiasabb irány, hogy vízgépek súrlódó felületeinek ellenállását csökkentsük egy új koncepció alapján. Eszerint a felületeket rugalmas anyaggal vonjuk be és ezt valamilyen módszerrel gerjesztve haladó rugalmas hullámot küldünk végig a felületen. Kérdés az, hogy milyen amplitúdójú, frekvenciájú és irányú hullámmal lehet a leghatékonyabban súrlódást csökkenteni. Ennek a kérdésnek a megválaszolásához az előző fejezetekben elsajátított stabilitáselemzési know-how-t használjuk, és ezzel reményeink szerint jól kiegészítjük az edinburgh-i egyetem DNS-eit.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Igaz-e az az állítás, hogy a szabadsugarak és nyírórétegek zavarásra legérzékenyebb pontja a fúvóka kilépési pontjának vagy a réteg kezdetének közvetlen közelében van? Mi ennek az oka? Hogyan lehetne ezt demonstrálni? Hipotézisünk szerint a különböző sebességprofilokra elvégzett stabilitáselemzésből adódó exponenciális növekedési ráták összehasonlítása adhat felvilágosítást. Az elemzéseket analitikus és numerikus profilokra is elvégezzük. A stabilitáselemzés bizonyos elemeit kísérletileg is ellenőrizzük.
Az örvényes vagy az akusztikus zavarás hatékonyabb az instabilitások gerjesztésében? Ezt a kérdést is mind a stabilitáselemzés módszereivel, mind kísérletileg próbáljuk megválaszolni.
Az adjungált és a normál egyenletek együttes felhasználásával öngerjesztett áramlások (pl. élhang) strukturális érzékenységét tudjuk vizsgálni. Ennek jelentősége az, hogy hol tudunk ezekbe az áramlásokba a leghatékonyabban beavatkozni. Hipotézisünk az, hogy ez a hely nem a fúvóka közvetlen közelében, hanem attól valamivel távolabb lesz.
Sík felületek súrlódásának csökkentésére új koncepció a felület rugalmas anyaggal való bevonása és a rugalmas felületen végigfutó hullámok gerjesztése. Ezt a koncepciót az edinburgh-i egyetemen DNS-sel vizsgálják, de a DNS célzottabb bevetéséhez nagy segítség lenne, ha a stabilitáselemzés módszereivel előre fel tudnánk térképezni, hogy milyen paraméterek mellett leghatékonyabb a módszer.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A projekt célja áramlási lengések és instabilitások jobb megértése és azokba való aktív beavatkozás. Az áramlási instabilitások kutatásának fő motivációja repülőgépiparból származott: az ellenállási erő szempontjából óriási jelentősége van a lamináris-turbulens átmenetnek. Sok energiát lehet megtakarítani, ha ezt az átmenetet késleltetni lehet, azaz a szárny felületének nagyobb hányadán marad a határréteg lamináris. Ennek tanulmányozásához fejlődött ki a lamináris határrétegekben terjedő és növekvő instabilitási hullámok elmélete. Ezzel rokon az edinburgh-i egyetemen kutatott, apály-dagály erőművek alkatrészeinek, valamint hajótestek súrlódáscsökkentése, amit úgy próbálnak elérni, hogy rugalmas anyaggal vonják be a felületet, és a rugalmas felszínen végigszaladó hullámot gerjesztenek. Erre a mozgó hullámos felületre tervezzük adaptálni a sík felületre jól működő stabilitásvizsgálati módszert, és megjósolni, hogy milyen amplitúdójú, frekvenciájú és irányú hullámmal lehet a leghatékonyabb súrlódáscsökkentést elérni. A projekt másik fő iránya a sík szabadsugarakban terjedő instabilitási hullámok vizsgálata, illetve annak kutatása, hogy e hullámok gerjesztése mely pontban a leghatékonyabb, azaz hol a legérzékenyebb a szabadsugár. Lengő szabadsugarat lehet találni pl. fúvós hangszerekben, csőelágazásokban, radiális szivattyúk sarkantyúja körül, de sok olyan helyen is, ahol a szabadsugár egy éles akadálynak ütközik. Egy másik fontos és dinamikusan fejlődő terület az áramlásszabályozás, ahol épp szabadsugarak segítségével próbálnak áramlásokat megfelelő viselkedésre késztetni. Az alkalmazások között van olyan, amikor a lengés kívánatos és van olyan, amikor nem. Mindkét esetben fontos, hogy a lengés keletkezésének mechanizmusát megértsük, és a gerjesztésre legérzékenyebb pontokat azonosítsuk.
Hasonló vizsgálatokat tudomásunk szerint hazánkban nem végeznek, így a kutatás támogatása segít meghonosítani az áramlástan e területét. Több egyetemen is folynak áramlások stabilitásával foglalkozó kutatások, többek közt Cambridge-i Egyetem, KTH (Svédország), míg intenzív kutatások folynak az élhanggal kapcsolatban pl. a Francia Nemzeti Kutatóintézetben. A kutatás újdonsága és erőssége a két terület vegyítése.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az áramlástan legalaposabban kutatott alapáramlásai közé tartoznak a szabadsugarak. Ezek egy nyíláson keresztül nagy térbe kiáramló közeget jelentenek. Ezek közül is – gyakoriságukat tekintve - kiemelkedik a hengeres és a sík szabadsugár. Az utóbbinál a fúvókát egy hosszú, vékony résként kell elképzelni. Ismeretes, hogy a szabadsugarak spontán elvesztik stabilitásukat és exponenciálisan növekvő amplitúdójú lengéseket végeznek a tengelyre szimmetrikusan, vagy antiszimmetrikusan. Alkalmazástól függően néha az a cél, hogy a lengést erősítsük, létrejöttét segítsük, máskor épp ellenkezőleg, a lengést csillapítani, létrejöttét megakadályozni szeretnénk.
Kb. 150 éve folyamatosan jelen van az irodalomban az az állítás, hogy a szabadsugár zavarásokra legérzékenyebb része a fúvóka elhagyásának közvetlen közelében, a kijáratnál van. Erre indoklást sehol sem találtunk. A projekt egyik célja ennek magyarázata.
Szintén régi vita, hogy az instabilitási hullámot elindító zavarásként az akusztikai vagy az örvényes gerjesztés a hatékonyabb. Meggyőződésünk szerint az utóbbi, de ezt bizonyítani nagyon nehéz.
Mindezek mellett kissé komplexebb áramlások az úgynevezett öngerjesztett áramlások, ahol egy visszacsatolásos mechanizmus segítségével állandósult áramlási lengések alakulnak ki. Mivel itt az áramlás önmagát gerjeszti, érdekes lehet, hogy térben hol vannak a legérzékenyebb pontok, ahol kellő beavatkozással a lengés amplitúdóját csökkenteni illetve növelni lehet. A módszertan kifejlesztésének óriási gyakorlati jelentősége van nemkívánatos áramlási lengések csillapításában, vagy ellenkezőleg, áramlásszabályozás esetén kívánatos áramlási lengések létrehozásában.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
For about 150 years the literature considers it as a fact that the most sensitive part of jets is that in the immediate vicinity of the nozzle exit. There has been no hint whatsoever, why that is so. One of the goals of the project is to uncover why this is so. For the investigation stability analysis methods of increasing complexity will be used, the Orr-Sommerfeld equation, the modified Orr-Sommerfeld equation taking into account the nonparallel effects, the WKBJ and the PSE methods, adjoint equations. The sensitivity is characterised by the growth rate of the instability wave. We investigate the difference between acoustic and vertical excitation too. The calculations will be validated by measurements. Apart from the jets, so-called self-sustained flow oscillations are also investigated, whereby the disturbance is produced by the flow itself with a feedback mechanism. The joint usage of the direct and adjoint methods helps in estimating the structural sensitivity which shows such locations where we can interact with the flow and influence it most efficiently.
Another, more practical direction is to decrease the drag force acting on frictional surfaces of fluid machines on the basis of a new concept. According to this the surfaces are coated with an elastic material and exciting this an elastic wave is sent along the surface. The question is what the amplitude, frequency and direction of the wave ought to be to achieve the largest drag reduction. To answer this question the stability analysis know-how, acquired in the previous chapters will be used and we hope that we complement the DNS-s carried out at the University of Edinburgh well.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Is the statement that „the most sensitive part of jets and shear layers is in the immediate vicinity of the nozzle exit” true? What is the reason for that? How can we demonstrate it?
According to our hypothesis, comparison of the exponential growth rates obtained from stability analysis on various velocity profiles may provide answers to these questions. The analyses will be carried out both on analytic and numerical profiles. Certain elements of the stability analysis will be also validated experimentally.
Is the vortical or the acoustic disturbance more effective in exciting instabilities? The answer to this question will be attempted also both using the methods of stability analysis and experimentally.
We can look at the structural sensitivity of self-sustained flows (e.g. edge tone) by the joint usage of the normal and adjoint equations. The importance of such investigations is that they show where we can most effectively interact with these flows. Our hypothesis is that this location will not be in the immediate vicinity of the nozzle but somewhat further from it.
A new concept for the reduction of friction of plane surfaces is to put an elastic layer on the surface and exciting running waves along this surface. This concept is investigated on the University of Edinburgh using DNS but it would be a great help for the more focused usage of the DNS if we could map the parameter ranges where the method is most efficient with the help of stability analysis.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The goal of the project is the better understanding of flow oscillations and instabilities and the active interaction with these. The main motivation for the research of flow instabilities arose from the aeronautic industry: from the viewpoint of the drag force the laminar-turbulent transition has a great importance. Much energy can be saved if this transition can be delayed, i. e. the boundary layer remains laminar on a higher proportion of the airfoil surface. The theory of the instability waves propagating and growing in laminar boundary layers developed to study this. The ongoing research at the University of Edinburgh to reduce the drag on parts of tidal wave power stations and on ship bodies is related to this. They try to achieve this by putting elastic material on the surface and exciting a running wave. We plan to adapt a stability analysis method to the wavy surface that works well on plane surface, and try to predict which direction, frequency and amplitude the wave has to have in order to achieve the best drag reduction.
The other main direction of the project is the investigation of instability waves propagating on plane jets, and finding out in which point the excitation of such waves is the most efficient, i. e. where is the jet most sensitive. Oscillating jet can be found for example in wind instruments, in pipe branches, around the tongue of radial turbopumps but also in many other places wher the flow impinges a sharp object. A further dynamically developing area is the flow control where often jets are used to make flows behave in a desired way. There are applications where oscillation is wanted and others where it is unwanted. In both cases it is important that we understand the mechanism of the oscillation and identify the points most sensitive to excitation.
As far as we know there are no similar research activities in Hungary so that support of this research helps introducing a new area into the Hungarian fluid mechanics research. Similar flow stability research is done in Cambridge (UK), at the KTH (Sweden) while research on the edge tone is going on e. g. in the National Research Institute of France. The strength of this proposal is the unification of the two research directions.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Jets belong to the most researched basic flows of fluid mechanics. They mean flows issuing from an opening into free space. The most frequent types are the cylindrical and the plane jet. In the latter case the nozzle is a thin, long slit. It is known the jets spontaneously lose their stability and perform oscillations with exponentially increasing amplitude symmetrically or antisymmetrically to the axis. Depending on the application sometimes the goal is to help generate and to amplify the oscillation, in other cases it is just the opposite, we want to inhibit the oscillation or damp it.
For approximately 150 years there is a statement in the literature that is taken for granted that the most sensitive part of the jet is the part in the immediate vicinity of the nozzle exit. There is no proof or reasoning to support this. One of the goals of the project is to explain this.
Another old debate is which kind of disturbances initiating the instability waves are more efficient: acoustic or vortical ones? According to our conviction the latter one but it is very difficult to prove it.
Somewhat more complex flows are the so-called self-sustained or self-excited flows whereby via a feedback mechanism quasi-steady oscillations are formed. Since here the flow excites itself, it can be interesting to know where in space the most sensitive points are where, with appropriate intervention, the amplitude of the oscillation can be increased or decreased. The development of the corresponding methodology can have a huge practical importance in damping unwanted flow oscillations or on the contrary, in the case of flow control to create desired flow oscillations.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
