Abstract | Keywords | Export | Availability | Bookmark

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

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. Swirling flows are widespread in industry. Because of their favourable properties they appear in many applications in the area of combustion such as in engines or gas turbines. With swirl it is possible to produce different flame patterns within the same combustor geometry. Since the cold flow (flow without combustion) is the driving force in this flame transition, knowledge of this cold flow is essential in understanding the combustion process. For this reason the aim of this thesis is to investigate the swirling flow in an axisymmetric geometry resembling a swirling jet combustor. The basic configuration is based on a design of a swirl burner by the IFRF. This geometry has been optimised to obtain a number of different flow patterns each with their own specifications. Flow patterns at 9 different swirl numbers are experimentally measured by LDA. Not only the mean velocity profiles, but also 3 components of the Reynolds stresses are reported. A cycle between increasing and subsequently decreasing swirl shows the hysteresis in the flow patterns. Besides the experimental also a numerical study has been performed. The equations of motion are solved using the RANS approach with two different turbulence models and the predictive capacities of these models are thoroughly studied. In addition to the experimental and numerical analysis also a theoretical study is made of the flow behaviour. Based upon the similarity analysis of reattachment flows, a full mechanistic explanation is given of the observed phenomena. Also the influence of the nozzle dimensions on the different flow patterns and their transitions is performed. It is found that the different nozzles scale with each other. The obtained correlations can serve as a database for nozzle design and since the cold flow is the determining factor in the flame pattern the database is also applicable to the design of nozzles for combustion. Finally a nozzle is designed to control the flow pattern without the use of swirl. The control is achieved by the cross-injection of small jets which fulfills the same role as the swirl. The obtained PIV measurements reveal a different approach to jet control with its own advantages compared to the traditional methods. Wervelende stromingen komen veelvuldig voor in de natuur alsook in de industrie. Denk bijvoorbeeld maar aan tornado's. Zij worden echter ook gebruikt in veel ingenieurstoepassingen, zoals bijvoorbeeld in verbrandingsprocessen. Daar zijn de effecten van werveling vlamstabilisatie en een betere menging tussen brandstof en lucht. Daarom bestudeert deze thesis de wervelende stroming en een geometrie, representatief voor een wervelbrander. Alleen de koude stroming is bestudeerd (stroming zonder verbranding), sinds het begrijpen van de koude stroming is essentieel in het begrijpen van het verbrandingsproces. Er werd een uitgebreide experimentele studie gemaakt van het stromingsveld bij 9 verschillende wervelgetallen. Het snelheidsveld werd gemeten met behulp van de LDA techniek voor snelheidsmeting. Hysteresis is aangetoond tussen het verhogen en het vervolgens verlagen van de werveling. Als toevoeging op de experimenten werd er ook een theoretische analyse gemaakt van het stromingsgedrag teneinde om dat gedrag te verklaren. Alsook een numerieke analyse werd uitgevoerd en de bekomen resultaten werden vergeleken met de experimenten. Experimenten toonden het belang aan van de geometrie van de branderkop op het stromingsgedrag. Daarom werd er een uitgebreide studie gemaakt door het stromingsgedrag van 87 verschillende branderkoppen op the meten. De aldus bekomen resultaten kunnen dan dienen als een database voor het ontwerp van branderkoppen voor koude stromingstoepassingen en voor verbranding. Tenslotte werd er een nozzle ontworpen die stromingscontrole toelaat zonder gebruik te maken van werveling. Met deze nozzle is het mogelijk om the switchen tussen stromingspatronen met behulp van radiale injectie van secundaire straalstromen. Deze nieuwe methode van stromingscontrole is verschillend van de huidige methodes en heeft zo zijn specifieke voordelen. Swirling flows are widespread in nature as well as in industrial applications. Examples of natural swirling flows are tornado's. Swirling flows are also used in many engineering applications, such as combustion. The effects of swirl are flame stabilisation and a more intense mixing of air and fuel. For this reason this thesis investigates the swirling flow in a geometry resembling a combustor. Only the cold swirling flow is studied (flow without combustion) since understanding this flow is crucial in understanding the flow with combustion. A comprehensive study of the flow field is made at 9 different swirl numbers. The flow fields are measured by the LDA technique for velocity measurement. Hysteresis is revealed between the increasing and subsequent decreasing of swirl. In addition to the experiments, the observed phenomena are also explained based on a theoretical analysis of the flow field. Also a numerical study is performed of the flow field and the results are compared with the experiments. Studies indicated the importance of the nozzle geometry on the observed behaviour. Therefore an extensive study is made on the influence of this nozzle geometry by measuring the transitional behaviour of 87 geometries. These findings can serve as a database in the nozzle design for cold flow applications as well as for combustion. Finally a nozzle is designed which allows the transition between flow patterns without the use of swirl. With this nozzle it is possible to switch the flow pattern by making use of cross-injection of small radial jets. This new method of flow control allows a transition with advantages compared to the transitional methods.

533 <043> --- Academic collection --- 621 --- Mechanics of gases. Aeromechanics. Plasma physics--Dissertaties --- Mechanical engineering in general. Nuclear technology. Electrical engineering. Machinery --- Theses --- 621 Mechanical engineering in general. Nuclear technology. Electrical engineering. Machinery --- 533 <043> Mechanics of gases. Aeromechanics. Plasma physics--Dissertaties --- 621 Algemene mechanische bouwkunde. Nucleaire technologie. Electronica. Machinebouw --- Algemene mechanische bouwkunde. Nucleaire technologie. Electronica. Machinebouw