Dissertations / Theses on the topic 'Stereo particle image velocimetry (SPIV)'

Cette thèse est une contribution à l’étude des flammes de méthane turbulentes non prémélangées en rotation, dites swirlées, avec ou sans enrichissement en oxygène de l’oxydant. L’étude se focalise sur la stabilité de la flamme, les émissions polluantes et la dynamique du jet en non réactif et réactif. Notre dispositif expérimental se compose d’un brûleur à swirler coaxial avec injection radiale de méthane au voisinage de la sortie du brûleur. Ce dernier est confiné dans une chambre de combustion. La teneur en oxygène dans l’oxydant, le nombre de swirl géométrique et la richesse globale à l’injection sont les principaux paramètres qui peuvent être précisément contrôlés. La stabilité de la flamme est caractérisée par chimiluminescence OH*. Les émissions polluantes sont mesurées par des analyseurs en ligne via un prélèvement dans les gaz brûlés. La dynamique du jet est caractérisée principalement par PIV stéréoscopique dans un plan longitudinal et plusieurs plans transverses. La diffusion du méthane dans le jet swirlé est abordée qualitativement par fluorescence induite par laser de l’acétone dans un plan. À ce jour, peu de travaux portent sur la caractérisation notamment dynamique de ces flammes swirlées avec enrichissement en O2. La mise en rotation du jet est à l’origine d’une zone de recirculation centrale qui favorise la stabilisation de la flamme en régime pauvre et à grand nombre de Reynolds. L’étude des émissions polluantes montre que les régimes de combustion à l’air pour lesquels la flamme est liftée stable sont aussi ceux qui produisent du CO et du CH4 résiduel en des quantités non négligeables. L’enrichissement en oxygène permet alors de convertir les imbrûlés et ce pour de faibles enrichissements tout en améliorant la stabilité de flamme via une diminution de la hauteur d’accrochage et des fluctuations associées comme le confirment de précédentes études. L’augmentation des NOx par la voie thermique a été quantifiée pour des enrichissements en oxygène inférieurs à 30 % vol. L’étude systématique en non réactif et réactif apporte des détails sur la topologie tridimensionnelle du jet swirlé suivant les paramètres de l’étude. L’étude de la décroissance des vitesses et de la décroissance du nombre de swirl dans la direction de l’écoulement permetde mettre en évidence l’effet de la flamme sur le jet swirlé. Un couplage entre l’évolution du taux d’entraînement par la recirculation externe et les émissions polluantes est mis en évidence pour expliquer l’évolution des NOx suivant la richesse globale à l’injection. Nous avons proposé une modélisation des écoulements swirlés qui repose sur les écoulements à vorticité hélicoïdale afin d’identifier les caractéristiques principales des structures hélicoïdales au sein de l’écoulement
This thesis is a contribution to the study of turbulent non-premixed swirling methane flames with or without oxygen addition in the oxidizer. The study deals with the flame stability, the pollutant emissions and the jet dynamic behaviour in non-reacting and reacting conditions. The burner, operating in a combustion chamber, consists of two concentric tubes with a swirler placed in an annular arrangement, which supplied the oxidant flow (air or oxygen-enriched air). The central pipe delivers fuel (methane) radially just below the burner exit plane. The oxygen content in the oxidizer, the geometric swirl number and the global equivalence ratio are the main parameters, which can be precisely set. OH* chemiluminescence imaging is used to characterize flame stability. Multi-gas analyzers are used to measure pollutant emissions in the exhaust gas. The flow is characterized using stereoscopic PIV measurements in different longitudinal and transverse planes. A qualitative study dealing with the methane diffusion imaging is also conducted by use of acetone planar laser-induced fluorescence. Up to now only few studies have examined the dynamic behavior of this type of swirled flames with oxygen addition. Introducing swirl allows creating a central recirculation zone which favors lean flame stabilization at higher Reynolds numbers. The mapping of the combustion regimes combined with the pollutant emission results show that the stable lifted flames are related to high CO and residual CH4 emission levels in the exhaust gas. Oxygen addition, even by a few percent, allows improving CO and unburned hydrocarbons conversion and increasing flame stability at the same time via a decrease of liftoff heights and the related fluctuations. The NOx emissions increase via the thermal pathway with increasing the oxygen-enrichment rate up to 30 % vol. A comparative study in non-reacting and reacting conditions is conducted to give insight into the tridimensional flow field topology varying the above-mentioned parameters. Mean streamwise velocity and swirl number decay rates show the flame effects on the flow dynamics. A coupling mechanism between the entrainment rate of the surroundings via the external recirculation and the pollutant emissions is proposed to explain the NOx emission trend with the global equivalence ratio. A model is also proposed based on the helical vortices to identify the main features of helix structures in the jet in non-reacting and reacting conditions

Thesis: S.B., Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, 2015.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (page 43).
This thesis investigates internal wave generation in a stratified fluid by means of an oscillating cylinder. We observe the consequences of boundary effects by the production of an out-of-plane velocity field as the cylinder span is decreased. Four cylinders are used. Stereoscopic PIV is utilized for flow visualization and velocity field quantification of the three-dimensional internal wave field evolution. This data is analyzed to determine a relationship between the generation source span as a function of out of plane velocity components in the resultant wave field. As the span of the cylinder is systematically decreased, we observe the evolution of the wave field towards three-dimensionality. To better understand the nature of these boundary effects, a horizontal cylinder is imaged at four location along its length. A tilted cylinder is imaged at its end for two forcing frequencies. These experiments allow a qualitative grounding in the production of wave cones from finite cylindrical generation sources.
by Spencer Wilson.
S.B.

Of the potential feedstocks for biofuels, microalgae is the most promising, and raceway ponds are the most cost-effective method for growing mircoalgal biomass. Nevertheless, biofuel production from algae must be more efficient to be competitive with traditional fuels. Previous studies using arrays of airfoils, triangles, and squares at high angles of attack show an increase in mixing in raceways and can improve productivity by up to a factor of 2.2. Some researchers say increasing mixing increases growth due to the flashing light effect while others claim it is the decrease in the fluid boundary layer of the cells that increases mass transfer. Whatever the reason, increasing growth by increasing mixing is a repeatable effect that is desirable to both reduce operation costs and increase production. An experimental raceway is constructed to test the effect of a delta wing (DW) on raceway hydraulics in the laboratory using fresh-water. The DW is an isosceles triangle made of plate material that is placed at a high angle of attack in the circulating raceway flow. Results from this investigation can be scaled to larger growth facilities use arrays of DWs. Two vortices are found downstream of the DW when used in this way and create significant vertical fluid circulation. Stereo particle image velocimetry (PIV) is used to quantify and optimize the use of delta wings as a means to increase fluid mixing. Stereo PIV gives three components of velocity in a measurement plane at an instant. Three studies are performed to determine the optimal paddle-wheel speed, angle of attack, and DW spacing in the raceway based on mixing. Two new mixing quantities are defined. The first is the Vertical Mixing Index (VMI) that is based on the vertical velocity magnitude, and the second is the Cycle Time required for an algal cell to complete a cycle from the bottom to the top and back again in the raceway. The power required to circulate the flow is considered in all results. The Paddle-wheel Speed Study shows that the VMI is not a function of streamwise velocity, which makes it very useful for comparison. The Cycle Time decreases quickly with streamwise velocity then levels out, revealing a practical speed for operation that is lower than typically used and consumes only half the power. The angle of 40° is optimal from the results of the Angle of Attack Study for both VMI and Cycle Time. The third study is the Vortex Dissipation Study and is used to measure the distance downstream before the vortices dissipate. This information is used to optimize the DW spacing for profit considering the additional costs of adding DWs.

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre du projet HARVEST, programme de recherche initié en 2001 au LEGI et consacré au développement d'un nouveau concept d'hydrolienne à axe vertical inspiré des turbines Darrieus pour la récupération de l'énergie cinétique des courants marins et fluviaux. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place d'un moyen de mesure par Vélocimétrie par Image de Particules deux dimensions - deux composantes (2D-2C) et deux dimensions - trois composantes (2D-3C). L'objectif est d'une part de constituer une base de données expérimentale pour la validation locale des simulations numériques RANS 2D et 3D menées dans le cadre de travaux précédents, et d'autre part d'améliorer la compréhension des phénomènes hydrodynamiques instationnaires rencontrés dans ces machines et en particulier du décrochage dynamique. La confrontation des mesures expérimentales et des simulations a notamment permis de mettre en évidence les points forts et les limites des modèles numériques dans les différents régimes de fonctionnement de la machine.

An isolated wing-tip vortex from a square-tipped NACA 0012 wing at an angle of attack of 5 degrees was studied in a water tunnel at a chord based Reynolds number of approximately 24000. Measurements were taken using stereo particle image velocimetry at three measurement planes downstream of the wing under each of three freestream turbulence conditions. The amplitude of wandering of the vortex axis increased with increasing distance downstream of the wing and with increasing freestream turbulence intensity. The magnitude of the peak azimuthal velocity decreased with increasing distance from the wing as well as with increases in the freestream turbulence intensity. The streamwise velocity in the vortex core was less than the freestream velocity in all cases. Time resolved histories of the instantaneous waveform shape and location of the vortex axis were determined from sequences of images of fluorescent dye released from the wing.

Cette thèse contribue aux connaissances fondamentales sur les structures à grande échelle dans le champ proche des jets ronds turbulents. Tout d'abord, une interaction spécifique entre les anneaux tourbillonnaires et les tourbillons longitudinaux dans la couche de cisaillement est explorée. Le résultat de cette interaction est supposé se manifester par une organisation radiale des tourbillons longitudinaux, par opposition à leur réseau azimutal rapporté dans la littérature. Des mesures par PIV stéréoscopique à haute cadence sont effectuées dans un plan transversal, deux diamètres en aval de la sortie de la buse. L’intensité des anneaux tourbillonnaires est modifiée par une excitation axisymétrique (nombre d'onde azimutal m=0) et l'organisation résultante des tourbillons longitudinaux est caractérisée. On constate qu'à mesure que la force relative entre les anneaux et les tourbillons longitudinaux augmente, l'organisation de ces derniers se déplace progressivement vers le réseau azimutal, ce qui corrobore l'hypothèse mentionnée ci-dessus. Les résultats suggèrent l'influence des tourbillons longitudinaux sur les anneaux tourbillonnaires, plus faibles, formés dans les jets ronds à des nombres de Reynolds élevés. Un modèle simple est ensuite construit pour isoler et étudier l'interaction ci-dessus à l'aide de simulations numériques. À cet égard, l'évolution d'un anneau tourbillonnaire isolé est d'abord étudiée. Cet anneau est ensuite placé dans le cisaillement moyen d'un jet. Une comparaison entre l'évolution de l'anneau en présence et en absence de cisaillement permet de comprendre le rôle joué par le cisaillement dans la rupture de l'anneau tourbillonnaire.Dans un deuxième temps, les données de PIV stéréoscopique à haute cadence sont analysées plus en détail pour caractériser les stries dans les jets ronds turbulents. Leur coexistence avec les anneaux tourbillonnaires et les tourbillons longitudinaux est étudiée. Les résultats indiquent que les stries sont situées dans le bord extérieur de la couche de cisaillement, et y sont quasi-stationnaires, tandis que le système convectif formé par les anneaux tourbillonnaires et les tourbillons longitudinaux les alimente en éjectant du fluide vers l'extérieur du jet. Le renforcement des anneaux tourbillonnaires par forçage ne semble pas modifier de manière significative la présence des stries, ce qui suggère un quasi-découplage entre les deux.Enfin, différents modes m=0 dans le champ proche des jets ronds sont étudiés, pour mettre en évidence les différences entre ce que la littérature qualifie de "mode de jet préférentiel", et le mode le plus énergétique (correspondant à la fréquence de passage des anneaux). Les mesures d'anémométrie fil chaud à différents emplacements axiaux et les données de PIV stéréoscopique à haute cadence à deux diamètres indiquent que les deux modes ont des structures radiales différentes. On constate également que l'excitation du mode le plus énergétique du jet pourrait fournir des taux d'évasement plus élevés que le mode de jet préférentiel, pour un même niveau de forçage d'entrée
This thesis aims at gaining fundamental understanding of the large scale structures in the near field of turbulent round jets. First, a specific interaction between vortex rings and streamwise vortices within the shear layer is explored. The result of this interaction is hypothesized to manifest itself in a radial organization of streamwise vortices, as opposed to the azimuthal one reported in the literature. High-speed stereo particle image velocimetry (HS-SPIV) is performed in a cross-sectional plane, two diameters downstream of the nozzle exit. The strength of the vortex rings is varied through axisymmetric (azimuthal wavenumber m=0) excitation and the resulting organization of streamwise vortices is monitored. It is found that as the relative strength between the rings and streamwise vortices increases, the organization of the latter vortices gradually shifts towards azimuthal array, thus corroborating the above mentioned hypothesis. The results confirm the influence of streamwise vortices on the weaker vortex rings formed in round jets at high Reynolds numbers. Next, a simple model is built to isolate and study the above interaction using numerical simulations. In this regard, first the evolution of an isolated vortex ring is studied. This ring is then placed in a mean shear of a jet. A comparison between the evolution of the ring in the presence and absence of shear provides insights into the role played by shear in the vortex ring breakdown.As a second part, the HS-SPIV data is further analyzed to characterize streaks in turbulent round jets, and their co-existence with vortex rings and streamwise vortices is explored. The results indicate that streaks are found in the outer edge of the shear layer where they remain almost steady, while the convecting system of vortex rings and streamwise vortices feed them by ejecting fluid outwards from the jet core. Strengthening the vortex rings through forcing is not seen to significantly alter the presence of the streaks, suggesting an almost decoupling between the two.At last, different m=0 modes in the near field of round jets are studied, to highlight the differences between the so-called “jet preferred mode” and the most-energetic mode (corresponding to the passage frequency of rings). Hot-wire anemometry measurements at different axial locations and the HS-SPIV data at two diameters indicate that the two modes have different radial structures. It is also found that exciting the jet at its most energetic mode could provide higher spreading rates than the jet preferred mode for the same input forcing level

Le mélange de scalaire actif, qui implique une rétroaction du champ scalaire sur les champs de vitesses, a attiré beaucoup moins d’attention dans la littérature que le mélange du scalaire passif où le champ scalaire se laisse transporter cinématiquement par le champ de vitesse. Dans cette thèse, nous nous intéressons à quelques questions ouvertes au sujet du mélange de scalaire actif. En particulier, on observe une accélération de la transition vers la turbulence pour : un jet léger, et un jet plus visqueux, par rapport au fluide hôte. Nous abordons deux types d’écoulements : I. Jet rond à masse volumique variable : Nous avons conçu et réalisé une expérience permettant la mesure simultanée des champs de vitesses et scalaire dans le champ très proche d’un jet rond à masse volumique variable. Nous utilisons la Vélocimétrie par Images de Particules Stéréoscopique, couplée à la Fluorescence Induite par Laser Planaire. La première question consiste à connaître l’influence des variations de masse volumique sur les toutes premières structures qui apparaissent après l’injection. La seconde question concerne le transfert d’énergie dans l’écoulement. Nous utilisons une approche statistique en deux-points, et analysons les transferts d’énergie et de variance du scalaire dans l’espace des échelles. Enfin, le mélange est quantifié par une approche de statistiques conditionnées à la périphérie du jet, au voisinage de l’Interface Turbulent/Non-Turbulent. Cette méthode révèle des informations qui sont inaccessibles par des moyennes dans un repère de coordonnées cylindriques classique. II. Jet plan temporel à viscosité et diffusivité massique variables : Nous utilisons des données de Simulations Numériques Directes, produites par le Dr. M. Gauding au sein de notre groupe. Le but de ces simulations est d’étudier l’influence de la variation de viscosité et de la diffusivité de masse sur les taux de dissipation de l’énergie cinétique et du scalaire. Pour traiter cette question, nous utilisons une approche de statistiques conditionnées à l’Interface Turbulent/Non-Turbulent. Dans cette région de l’écoulement, nous évaluons le bilan en un point de l’amplitude du vecteur gradient du scalaire, ainsi que le bilan en deux points de la fonction de structure d’ordre deux du scalaire. Nous montrons que les inhomogénéités initiales du scalaire actif ont un effet intense et persistant sur le mélange dans le voisinage de l’Interface Turbulent/Non-Turbulent, et ceci même tard, dans le régime auto-similaire du jet
Active scalar mixing, which modifies the velocity field through variations of either density or viscosity, received much less attention than passive scalars. This thesis aims at unravelling some open questions pertaining to active scalar mixing. Whilst some results point to the facts that mixing occurs faster for i) light jets than for heavy jets, and ii) more viscous fluid released in a less viscous environment. This simple example reveals the necessity of a systematic study of the problem. We focus on two aspects of these very vast questions. I. Variable density round jet. We designed an experimental set-up, which allows measuring both velocity and scalar fields, using simultaneous Stereo Particle Image Velocimetry and Planar Laser Induced Fluorescence. The first question concerns mixing immediately after injection. Therefore, the very near field of the jet was particularly sought. One-point statistics were used to evaluate the large-scale effect of momentum and density variations on the initiation of turbulence. Also, two-point turbulent statistics for velocity and scalar have been appraised. Through this approach, the effects on transition were assessed through scales of turbulent motion. Mixing was also evaluated at the edge of the flow, in the vicinity of the Turbulent/Non-Turbulent Interface. We found additional specificity to variable density mixing, that is inaccessible by averaging on a cylindrical frame of reference. II. Temporally evolving turbulent jet flow with variable viscosity and mass diffusivity. The data consists in Direct Numerical Simulation performed in our group by Dr. M. Gauding. The purpose of these simulations is to study the kinetic energy and scalar dissipation rates in flows with variable momentum and mass diffusivities. We focused on conditional averaging in the vicinity of Turbulent/Non-Turbulent Interface. This data is confronted to one-and-two point transport equations for the momentum and scalar. It is shown that initial gradients of both viscosity and mass diffusivity have an intense and persistent impact on both kinetic energy and scalar dissipation rates, in the vicinity of the Turbulent/Non-Turbulent Interface, albeit a rapidly trend of the jet core towards self-preservation

Shear flows in the vicinity of a free surface are a problem with numerous applications, perhaps the most obvious being the wakes of seagoing surface vessels. The flow behind a full-scale ship is extremely complex – so much so that it is frequently more instructive to consider simpler cases highlighting particular elements of the larger problem. To that end, an experimental investigation has been conducted to study the behavior of a turbulent plane mixing layer intersecting a free surface at low Froude number. The local Reynolds number, based on the velocity differential across the layer and the momentum thickness, was approximately 10,000.

The technique of Stereoscopic Digital Particle Image Velocimetry (SDPIV) was implemented to obtain instantaneous three-component velocity measurements within planar slices of the steady-state, spatially developing mixing layer flow. Guided by previous studies of the same flow conditions, specific depths were chosen at a single downstream station for investigation – specifically those in and around counter-rotating streamwise vortices known to exist in the mean flow very near the free surface. 3,000 consecutive SDPIV image pairs were recorded at a rate of 15 per second at each location, giving ample data for Reynolds decomposition and spectral analysis of the velocity fields.

The present study has found that the anisotropy known to exist in some other free surface flows, such as surface-parallel submerged jets, is also present in the case of the mixing layer. Power spectra of all three velocity components are shown to capture part of the inertial subrange; the isotropic energy cascade seen to be present away from the free surface is also seen to disappear near the surface, as surface-normal velocity fluctuations are severely attenuated.

Additionally, a low-frequency spanwise oscillation is deduced from the velocity power spectra and cospectra in the immediate vicinity of the mean streamwise vortices. Not present at all at significant depth, the motions at this frequency are also observed to markedly decrease – in all components – at locations closer to the surface. These observations appear to have both parallels and key differences compared to previously observed meandering of model boat wakes, and the possibility that the oscillation stems from the vortex-pair instability is discussed.