Dissertations / Theses on the topic 'Vortex instability'
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Mao, Xuerui. "Vortex instability and transient growth." Thesis, Imperial College London, 2010. http://hdl.handle.net/10044/1/6442.
Full textAbstract:
The dynamics of vortex flow is studied theoretically and numerically. Starting from a local analysis, where the perturbation in the vortex flow is Fourier decomposed in both radial and azimuthal directions, a modified Chebyshev polynomial method is used to discretize the linearized governing operator. The spectrum of the operator is divided into three groups: discrete spectrum, free-stream spectrum and potential spectrum. The first can be unstable while the latter two are always stable but highly non-normal. The non-normality of the spectra is quantitatively investigated by calculating the transient growth via singular value decomposition of the operator. It is observed that there is significant transient energy growth induced by the non-normality of continuous spectra. The non-normality study is then extended to a global analysis, in which the perturbation is decomposed in the radial or azimuthal direction. The governing equations are discretized through a spectral/hp element method and the maximum energy growth is calculated via an Arnoldi method. In the azimuthally-decomposed case, the development of the optimal perturbation drives the vortex to vibrate while in the stream-wise-decomposed case, the transient effects induce a string of bubbles along the axis of the vortex. A further transient growth study is conducted in the context of a co-rotating vortex pair. It is noted that the development of optimal perturbations accelerates the vortex merging process. Finally, the transient growth study is extended to a sensitivity analysis of the vortex flow to inflow perturbations. An augmented Lagrangian function is built to optimize the inflow perturbations which maximize the energy inside the domain over a fixed time interval.
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Altay, Hurrem Murat. "Vortex driven flame dynamics and combustion instability." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2005. http://hdl.handle.net/1721.1/32379.
Full textAbstract:
Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2005.Includes bibliographical references (leaves 87-93).
Combustion instability in premixed combustors mostly arises due to the coupling between heat release rate dynamics and system acoustics. It is crucial to understand the instability mechanisms to design reliable, high efficiency, low emission gas turbine combustors. In this thesis, elementary processes acting as a source of unsteady heat release rate are described. These elementary processes are acoustic wave-flame interactions, flame-vortex interactions, equivalence ratio fluctuations, flame-wall interactions and the unsteady stretch rate. To investigate the flame- vortex interaction mechanism, a parametric study is performed in single and double expansion dump combustors. 2-D simulations are performed using the random vortex method combined with thin flame model of premixed combustion. The inlet velocity of the combustor is forced sinusoidally at various amplitudes and frequencies, and the heat release rate response is evaluated. It is shown that the heat release rate dynamics are governed by the cyclical formation of a large wake vortex and its interaction with the flame. Maximum heat release rate in a cycle is reached a short time after the breakup of the vortex, which causes rapid burning of the reactants trapped within the structure. The geometry and operating conditions of the combustor control the mechanism by which the vortex breakup is initiated. For short cavities, the impingement of the large wake vortex onto the forward facing step is responsible from the vortex breakup.
(cont.) On the other hand, in long cavities, the vortex breakup is initiated as the wake vortex impinges on the upper cavity wall in single expansion dump combustor, or the vortex forming in the other half of the combustor in double expansion dump combustor. Furthermore, the effect of the air injection in the cross stream direction close to the dump plane on equivalence ratio is investigated. It is shown experimentally that high amplitude pressure oscillation in the combustor during unstable operation causes fluctuation in the injected jet velocity. The oscillatory jet velocity affects the incoming equivalence ratio depending on the momentum ratio of the jet to the primary stream. A critical momentum ratio is defined at which the amplitude of the equivalence ratio oscillations reaches a maximum.
by Hurrem Murat Altay.
S.M.
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Rostami, Masoud. "Dynamical influence of diabatic processes upon developing instabilities of Earth and planetary jets and vortices." Thesis, Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066186.
Full textAbstract:
Le but de la thèse est de comprendre l'influence dynamique des effets diabatiques, comme la convection humide, sur les instabilités des vortex atmosphériques terrestres et planétaires. Un modèle verticalement intégré, avec les paramétrisations type relaxation des transitions de phase et de dégagement de la chaleur latente, le modèle de St-Venant avec la convection humide, a été utilisé. La version précédente du modèle a été améliorée pour inclure l'eau précipitable, sa vaporisation et son entrainement. L'approche consiste en 1) analyse détaillée de stabilité des profils idéalisés, ou extraits des données, des vortex, 2) étude de saturation non-linéaire des instabilités à l'aide de schéma numérique de haute résolution aux volumes finis. Les résultats principaux de la thèse sont : 1. Démonstration et quantification d'une forte influence des effets humides sur les instabilités des vortex synoptiques, y compris asymétrie cyclone-anticyclone des vortex de faible intensité aux latitudes moyennes, et de l'intensification des vortex type cyclones tropicaux, avec formation des nuages caractéristiques. 2. Explication de l'origine dynamique de l'hexagone au pôle Nord de Saturne, et de l'absence de structure similaire au pôle Sud, en termes d'instabilité du système vortex polaire - jet circumpolaire, et sa saturation non-linéaire. 3. Explication de la structure observée du vortex polaire hivernal sur Mars en termes d'instabilité et sa saturation en présence de réchauffement /refroidissement radiatif et de déposition de CO2 (transition de phase gaz - solide). Une nouvelle paramétrisation simple a été proposée pour ce processus, incluant l'influence des noyaux de dépositionThe thesis is devoted to understanding dynamical influence of diabatic effects, like moist convection, on instabilities of vortices in Earth and planetary atmospheres. A vertically integrated atmospheric model with relaxational parameterisation of phase transitions and related heat release, and with convective fluxes included in mass and momentum equations, the moist-convective rotating shallow water model, was used for this purpose. The previous version of the model was improved to include precipitable water and its vaporisation and entrainment. The approach consists in 1)detailed stability analysis of idealised, or extracted from the data, vortex profiles, 2)study of nonlinear saturation of the instabilities with the help of finite-volume high-resolution numerical code. The main results of the thesis are: 1. Demonstration and quantification of strong influence of moist effects upon instabilities of synoptic vortices, including cyclone-anticyclone asymmetry of mid-latitude vortices of weak intensity, and intensification of tropical-cyclone like vortices with formation of typical cloud patterns. 2. Explanation of the dynamical origin of the Saturn's North Polar hexagon, and of the lack of similar structure at the South Pole, in terms of instability of the coupled polar vortex and circumpolar jet, and their nonlinear saturation.3. Explanation of the observed structure of Mars' winter polar vortex in terms of instability of the latter, and its saturation in the presence of radiative heating/cooling and CO2 deposition (gas-solid phase transition). A new simple parameterisation of the latter process, including the influence of deposition nuclei, was developed in the thesis
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Amirante, Daria. "A numerical study of instability and vortex breakdown of swirling flow." Thesis, University of Southampton, 2007. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.485518.
Full textAbstract:
Direct numerical simulations ofboth axisymmetric and three-dimensional highly swirling flows are conducted to study the vortex breakdown phenomenon and the onset of helical instabilities. The enduring debate on the physical reasons underlying the breakdown of slender v9rtices has widely involved theoretical, experimental and computational studies. In the present investigation, we are motivated by the necessity to evaluate the range of applicability of recent studies which have correlated the global response of this class of flows to their local stability characteristics. In synthesis, the dynamics of the unsteady structures developing in swirling flows are explained according to simplified theories which assume the flow to be locally parallel. These results, which might be considereg as the Cnatural extension of concepts well established for two-dimensional jets and wakes, appear to be quite surprising if applied to swirling flows in breakdown configuration. In fact, the presence of one or more large regions of recirculating flow (the vortex bubbles) renders the assumption ofnear parallelism strongly violated. Inspired by this observation, we have carried out a numerical investigation in order to study the evolution of self-sustained oscillations. For this purpose, a finite difference code has been developed and later adapted to perform linear analysis around a given parallel swirling flow. Successively, a comparative study between the global and local analysis methodologies has been conducted. The novelty of the work is rep~esented by the use of simple filtering techniques which can be implicitly activated if the cylindrical coordinates are employed. These have made possible to focus on the nonlinear evolution . of higher order modes. Following this strategy, we have identified an instability mechanism which cannot be explained by the local theory and whose existence is clearly associated with the presence of recirculating flow. The result is considered important since it provides a further contribution to the general understanding of the global modes. Throughout this thesis we have followed a bottom-up approach in terms ofthe assumptions undertaken. The general stability properties of swirling flows are initially revisited based on 1D models. The hypothesis of one-dimensionality has been later replaced by that ofaxisymmetry. Real swirling flows are examined in the final chapter for Reynolds numbers in the range of those generally employed in the physical experiments.
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Quaranta, Hugo. "Instabilities in a swirling rotor wake." Thesis, Aix-Marseille, 2017. http://www.theses.fr/2017AIXM0052.
Full textAbstract:
Cette thèse est consacrée à l'étude des instabilités du sillage tourbillonnaire des rotors, largement utilisés dans l'industrie pour la conversion d'énergie mécanique. Leur sillage peut être modélisé par un ensemble de vortex hélicoïdaux entrelacés, au sein duquel de nombreuses instabilités peuvent émerger. Ces mécanismes ont un impact significatif sur l'évolution intermédiaire du sillage et peuvent influencer les performances du rotor. Ce travail, plus particulièrement dédié aux hélicoptères, s'est tout d'abord attaché à caractériser expérimentalement l'écoulement derrière trois rotors conçus pour des régimes de vols différents. Ces conditions de bases ont ensuite servi à étudier les différents modes instables de grande longueur d'onde pouvant apparaître dans le sillage. Une bonne correspondance est trouvée entre les prédictions théoriques et les mesures expérimentales des taux de croissance associés. Une rapide analyse de l'évolution spatio-temporelle de ces perturbations a permis d'étudier la propagation d'une perturbation localisée dans le plan rotor. Il est en effet envisagé que dans certaines configurations de vol de descente, les instabilités provoquent la transition du sillage vers un état spécifique connu sous le nom d'état d'anneau tourbillonnaire, potentiellement dangereux pour l'appareil. Il se caractérise par une stagnation du sillage au voisinage du plan rotor qui en dégrade les performancesThis work studies the instabilities associated with the wake of a rotor. These devices are used in many applications such as energy harvesting or propulsion,and their optimisation is crucial for both industry and the environment. The wakebehind a rotor is broadly defined as a system of interlaced helical vortices, whose dynamics governs the transition from the near-wake to the far-wake regime. In our first study, we investigate the wake behind different small-scale rotors in their design operating condition. We use the resulting flows in a subsequent linear stability analysis, aiming at predicting long-wavelength instability modes in the helical vortex. We find that the theoretical prediction of the modes growth-rates matches our experimental measurements. We also show that the dynamics of helical vortex filaments can be predicted from simple two-dimensional theory. In more critical flow configurations, instabilities are suspected to promote the transition to hazardous regimes such as the so called Vortex-Ring State, characterised by large-scale recirculating structures.The second part of this work is thus dedicated to the spatio-temporal evolution of localised perturbations in the rotor plane, and their potential tendency to propagate upstream in the flow
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Pang, Bin. "Active suppression of vortex-driven combustion instability using controlled liquid-fuel injection." College Park, Md. : University of Maryland, 2005. http://hdl.handle.net/1903/2958.
Full textAbstract:
Thesis (Ph. D.) -- University of Maryland, College Park, 2005.Thesis research directed by: Aerospace Engineering. Title from t.p. of PDF. Includes bibliographical references. Published by UMI Dissertation Services, Ann Arbor, Mich. Also available in paper.
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Waleffe, Fabian. "The 3D instability of a strained vortex and its relation to turbulence." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 1989. http://hdl.handle.net/1721.1/14221.
Full text
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MEN'SHOV, Igor, and Yoshiaki NAKAMURA. "On Instability of Acoustic Waves Propagating in Stratified Vortical Flows." The Japan Society of Mechanical Engineers, 2002. http://hdl.handle.net/2237/9091.
Full text
9
Khan, Md Abdul Hakim. "Singularity analysis by summing power series." Thesis, University of Bristol, 2001. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.368391.
Full text
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Kim, Inchul. "Numerical study of the onset of instability in the flow past a sphere." Diss., The University of Arizona, 1989. http://hdl.handle.net/10150/184809.
Full textAbstract:
Experiment shows that the steady axisymmetric flow past a sphere becomes unstable in the range 120 < Re < 300. The resulting time-dependent nonaxisymmetric flow gives rise to nonaxisymmetric vortex shedding at higher Reynolds numbers. The present work reports a computational investigation of the linear stability of the axisymmetric base flow. When the sphere is towed, fixed, or otherwise constrained, stability is determined solely by the Reynolds number. On the other hand, when the sphere falls due to gravity, the present work shows that a additional parameter, the ratio of fluid density to sphere density (β = ρ(f)/ρ(s)) is involved. We use a spectral technique to compute the steady axisymmetric flow, which is in closer agreement with experiment than previous calculations. We then perform a linear stability analysis of the base flow with respect to axisymmetric and nonaxisymmetric disturbances. A spectral technique similar to that employed in the base flow calculation is used to solve the linear disturbance equations in streamfunction form for axisymmetric disturbances, and in a modified primitive variable form for nonaxisymmetric disturbances. For the density ratio β = 0, which corresponds to a fixed sphere, the analysis shows that the axisymmetric base flow undergoes a Hopf bifurcation at Re = 175.1, with the critical disturbance having azimuthal wavenumber m = 1. The results are favorably compared to previous experimental work.
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Choueiri, George H. "Experimental Investigations of Flow Development, Gap Instability and Gap Vortex Street Generation in Eccentric Annular Channels." Thèse, Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2014. http://hdl.handle.net/10393/31017.
Full textAbstract:
Isothermal flow development, gap instability, and gap vortex street generation in eccentric annular channels have been studied experimentally. A representative paradigm of a flow in a highly eccentric annular channel was examined for a channel having an inner-to-outer diameter ratio d/D = 0.50 and an eccentricity e = 0.8 for a Reynolds number Re = 7300. Observation of the flow development has identified three distinct regions: the entrance region, the fluctuation-growth region and the rapid-mixing region. Weak quasi-periodic velocity fluctuations were first detected in the downstream part of the entrance region, and grew into very strong ones, reaching peak-to-peak amplitudes in the narrow gap that were nearly 60% of the bulk velocity. The dependence on inlet conditions, d/D, e and Re on the development and structure of flows was also investigated. Experimental conditions covered the ranges: 0 ≤ Re ≤ 19000, 0 ≤ e ≤ 0.9 and d/D = 0.25, 0.50 and 0.75. For Re < 7000, the Strouhal number, the normalized mid-gap axial flow velocity and the axial and cross-flow fluctuation intensities at mid-gap were found to increase with increasing Re and to depend strongly on inlet conditions. At higher Re, however, these parameters reached asymptotic values that were only mildly sensitive to inlet conditions. A map was constructed for the various stages of periodic motions vs. e and Re and it was found that, for e < 0.5 or Re < 1100, the flow was unconditionally stable as far as gap instability is concerned. For e ≤ 0.5, transition to turbulence occurred at Re ≈ 6000, whereas, for 0.6 ≤ e ≤ 0.9, the critical Reynolds number for the formation of periodic motions was found to increase with eccentricity from 1100 for e = 0.6 to 3800 for e = 0.9. The use of an empirically derived "mixing layer Strouhal number" permitted a universal description of gap vortex street periodicity in eccentric annular channels. This study has contributed to our understanding of the physical mechanisms that lead to gap instability and the development of a gap vortex street and the dependence of these flow phenomena on the channel geometry and the dynamic conditions of the flow.
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Ono, Tomohiro. "Parametric Study of the Rossby Wave Instability in a Two-Dimensional Barotropic Disk." Kyoto University, 2018. http://hdl.handle.net/2433/232252.
Full text
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Luton, J. Alan. "Numerical simulations of vortices near free and solid surfaces." Diss., This resource online, 1996. http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-10052007-143040/.
Full text
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Cerqueira, Stéphane. "Étude du couplage aéro-mécanique au sein des moteurs à propergol solide." Thesis, Paris, ENMP, 2012. http://www.theses.fr/2012ENMP0011/document.
Full textAbstract:
Les Moteurs à Propergol Solide sont le siège d'instabilités de combustion qui se manifestent par des fluctuations de la pression interne et, en conséquence, de la poussée induite. Les phénomènes oscillatoires observés résultent d'un couplage entre l'acoustique de la chambre de combustion et une ou plusieurs instabilités hydrodynamiques de l'écoulement interne.Dans cette thèse, on s'intéresse à l'étude de l'écoulement induit par injection pariétale en géométrie axisymétrique. Plus particulièrement, on se concentre sur l'interaction qui peut avoir lieu entre cet écoulement et une structure : les Protections Thermiques de Face.Une étude expérimentale reposant sur le montage gaz froid VALDO de l'ONERA, modélisation représentative des MPS P230, a permis d'examiner l'influence d'obstacles, rigides et en élastomère, sur les instationnarités de l'écoulement. Le caractère instable de l'écoulement induit par injection pariétale est alors confirmé et le rôle primordial joué par les PTF sur les fréquences émergeant au sein de l'écoulement a été identifié.L'analyse de stabilité linéaire de l'écoulement, conduite en approche globale, permet l'étude de sa dynamique en tant qu'amplificateur de bruit. Les m¶mécanismes mis en jeu dans l'instabilité de l'écoulement induit par injection pariétale ainsi que son interaction complexe avec la couche de cisaillement issue de l'obstacle sont analysés. La réponse de l'écoulement à un forçage harmonique est alors examinée à la lumière des résultats expérimentaux.Cette étude a été complétée par une approche numérique de l'Interaction Fluide-Structure sur une configuration jugée critique. Une étape préliminaire à la simulation multi-physique est l'élaboration d'un modèle réaliste du comportement des PTF en élastomère. L'identification et la prise en considération des mécanismes propres aux élastomères dans la loi de comportement est ainsi détaillée. Les résultats issus des simulations sont confrontés aux résultats expérimentaux et rendent possible la validation d'un scénario de couplage dédié à l'Interaction Fluide-Structure au sein des MPSFluid Structure Interaction of an inhibitor with the internal flow induced by wall injection was studied in an axisymmetric cold flow apparatus. Experiments were carried out over a wide range of injection velocities in order to underline how the obstacle not only modifies the mean flowfield but also its entire dynamic behaviour.The resulting instability (from the interaction of the unstable shear layer with the Taylor-Culick flow) exhibits a significant shift with respect to the Taylor-Culick instability and therefore emphasizes the strong impact of the inhibitor on hydrodynamics.The mecanisms responsible of such behaviour are studied in this thesis with the help of global linear stability analysis and multi-physics numerical computations
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Cornwell, Michael. "Causes of Combustion Instabilities with Passive and Active Methods of Control for practical application to Gas Turbine Engines." University of Cincinnati / OhioLINK, 2011. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=ucin1307323433.
Full text
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Castrillon, Escobar Sebastian. "Instabilité et dispersion de jets de corium liquides : analyse des processus physiques et modélisation dans le logiciel MC3D." Thesis, Université de Lorraine, 2016. http://www.theses.fr/2016LORR0102/document.
Full textAbstract:
Lors d’un accident grave dans un réacteur nucléaire (REP ou REB en particulier), le combustible fondu (corium) peut se déverser dans le réfrigérant (eau). L’interaction entre les deux fluides est appelée Interaction Combustible-Réfrigérant. Sous certaines conditions, cette interaction peut conduire à une «explosion de vapeur» qui peut menacer le confinement du réacteur nucléaire. L’ICR est une interaction de caractère multiphasique complexe où divers phénomènes physiques interviennent de manières couplées. Elle débute par une phase de mélange entre les fluides (prémélange), se traduisant par la fragmentation du corium et sa dispersion dans le réfrigérant. Ce processus de fragmentation impacte les échanges thermiques (ébullition et mise en mouvement du fluide environnant (réfrigérant)) et les processus chimiques (oxydation du corium et génération d’hydrogène). Cette thèse apporte de nouveaux éléments concernant la compréhension physique et la modélisation du phénomène de fragmentation du corium, dont l’objectif principal est d’améliorer la modélisation dans le logiciel de thermohydraulique multiphasique MC3D, développé par l’IRSN. L’étude proposée se base sur l’hypothèse de la modélisation de la fragmentation comme un phénomène multi-échelle avec un découplage entre taux de fragmentation du jet et dimension des gouttes résultantes. Elle suppose un processus de fragmentation qui est le résultat d’une déstabilisation primaire (passage jet -> grosses gouttes) pilotée par les grandes échelles de l’écoulement et d’un processus de déstabilisation secondaire menant à une fragmentation finale dépendante des paramètres plus «locaux» de l’écoulement. Nous avons conjugué notre modélisation avec une méthode de type MUSIG récemment introduite dans le logiciel MC3D. Les gouttes de corium y sont représentées, via un découpage en classes, par plusieurs champs de masse et d’énergie avec des diamètres distincts. Malgré les avancées dans la modélisation de la fragmentation, la compréhension des mécanismes et la caractérisation de la fragmentation des gouttes liquides est encore très imparfaite, particulièrement dans le cas liquide/liquide. Le travail de thèse s’est alors orienté vers l’analyse de ce processus en utilisant le logiciel de simulation GERRIS. L’étude conduit à proposer une nouvelle carte de régimes de fragmentation en configuration liquide/liquide, une compréhension plus approfondie de la dynamique de fragmentation et une analyse sur l’interaction vortex-goutte pilotant la transition entre les régimesIn the case of a severe accident in a nuclear power plant, the molten core may flow into water and interact with it. The consequences of this fuel-coolant interaction (FCI) for the follow-up of the accident may be numerous so the phenomenon needs to be described accurately, one of them called “steam explosion” can lead to the failure of the nuclear reactor containment. FCI is a complex multiphase interaction involving several physical phenomena. The premixing phase of the interaction consists in the fragmentation and dispersion of corium in the coolant pool. This phase is driven by the fragmentation process which modifies heat transfers (coolant boiling dynamics) and chemical reactions (corium oxidation and hydrogen generation). This thesis brings new elements about the corium jet and droplet breakup with the main goal of improve fragmentation models on the MC3D multiphase code, developed by the IRSN. Our study is based on a multi-scale fragmentation process where the jet fragmentation rate and final droplet dimensions are not coupled themselves. We suppose a fragmentation process resulting from a primary instability (mass transfer within jet and big droplets) depending on the large flow scales and a secondary instability depending on the small flow scales (leading to final droplet breakup). This model has been implemented in MC3D in combination with the MUSIG method recently added to MC3D. In this method, droplets are represented using several classes, each of them with their own droplet diameter, mass and energy fields. Despite new improvements on modeling corium fragmentation, there is still a lack on the comprehension and characterization on the liquid droplet fragmentation, particularly on liquid/liquid configurations. In this thesis, we study in detail droplet breakup using the computational fluid dynamics software GERRIS. As a result, we find a new droplet breakup classification in liquid/liquid configurations, we improve the droplet breakup dynamics comprehension and we analyze the droplet-vortex interaction to determine breakup regime transition
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Klironomos, Alexios. "Structural transitions of the vortex lattice in anisotropic superconductors and fingering instability of electron droplets in an inhomogeneous magnetic field." [Gainesville, Fla.] : University of Florida, 2003. http://purl.fcla.edu/fcla/etd/UFE0000723.
Full text
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Chatterjee, Prateep. "A Computational Fluid Dynamics Investigation of Thermoacoustic Instabilities in Premixed Laminar and Turbulent Combustion Systems." Diss., Virginia Tech, 2004. http://hdl.handle.net/10919/11209.
Full textAbstract:
Lean premixed combustors have been designed to lower NOx and other pollutant levels in land based gas turbines. These combustors are often susceptible to thermo-acoustic instabilities, which manifest as pressure and heat release oscillations in the combustor. To be able to predict and control these instabilities, it is required that both the acoustics of the system, and a frequency-resolved response of the combustion process to incoming perturbations be understood.
Currently, a system-level approach is being used widely to predict the thermoacoustic instabilities. This approach requires simple, yet accurate models which would describe the behavior of each dynamic block within the loop. The present study is directed toward using computational fluid dynamics (CFD) as a tool in developing reduced order models for the dynamics of laminar flat flames and swirl stabilized turbulent flames. A finite-volume based approach is being used to simulate reacting flows in both laminar and turbulent combustors. The study has been divided into three parts -- the first part involves the modeling of a self-excited combustor (the acoustics of the combustor are coupled with the unsteady heat release); the second part of the research aims to study the effect of velocity perturbations on the unsteady heat release rate from a burner stabilized laminar flat flame; the third and final part of work involves an extension of the laminar flat flame study to turbulent reacting flows in a swirl stabilized combustor, and study the effects on the turbulent heat release due to the velocity perturbations.
A Rijke tube combustor was selected to study self-excited combustion phenomenon. A laminar premixed methane-air flat flame was stabilized on a honeycomb flame-stabilizer. The flame stabilizer was placed at the center of the 5 feet vertical tube. The position of the flame at the center of the tube leads to a thermoacoustic instability of the 2nd acoustic mode. The fundamental thermoacoustic frequency was predicted accurately by the CFD model and the amplitude was reasonably matched (for a flow rate of Q = 120 cc/s and equivalence ratio phi = 1.0). Other characteristics of the pressure power spectrum were captured to a good degree of accuracy. This included the amplitude modulation of the fundamental and the harmonics due to a subsonic pulsating instability.
The flat flame study has been being conducted for Q = 200 cc/s and equivalence ratio phi = 0.75. The objective has been to obtain a frequency response function (FRF) of the unsteady heat release rate (output) due to incoming velocity perturbations (input). A range of frequencies (15 Hz - 500 Hz) have been selected for generating the FRF. The aim of this part of the study has been to validate the computational model against the experimental results and propose a physics based interpretation of the flame response. Detailed heat transfer modeling (including radiation heat transfer) and two-step chemistry models have been implemented in the model. The FRF generated has been able to reproduce the experimentally observed phenomena, like the low frequency pulsating instability occurring at 30 Hz. A heat transfer study has been conducted to explain the pulsating instability and a fuel variability study has been performed. Both the heat transfer study and the fuel variability study proved the role of heat transfer in creating the pulsating instability.
The final part of the study involves simulation of reacting flow in a turbulent swirl stabilized combustor. The effect of velocity perturbations on the unsteady heat release has been studied by creating an FRF between the unsteady velocity and the unsteady heat release rate. A Large Eddy Simulation (LES) approach has been selected. A swirl number of S = 1.19 corresponding to a flow rate of Q = 20 SCFM with an equivalence ratio of phi = 0.75 have been implemented. Reduced reaction chemistry modeling, turbulence-chemistry interaction and heat transfer modeling have been incorporated in the model. The LES of reacting flow has shown vortex-flame interaction occurring inside the combustor. This interaction has been shown to occur at 255 Hz. The FRF obtained between unsteady velocity and unsteady heat release rate shows good comparison with the experimentally obtained FRF.Ph. D.
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Bolnot, Hadrien. "Instabilités des tourbillons hélicoïdaux : application au sillage des rotors." Thesis, Aix-Marseille, 2012. http://www.theses.fr/2012AIXM4825/document.
Full textAbstract:
Ce travail de thèse porte sur les propriétés de stabilité des tourbillons hélicoïdaux, structures que l'on retrouve notamment dans le sillage des rotors d'hélicoptères et d'éoliennes.Dans une première partie, le développement spatio-temporel de l'instabilité d'appariement est caractérisé à l'aide d'un code numérique pseudo-spectral pour une allée infinie d'anneaux tourbillonnaires. On montre que ce modèle axisymétrique d'écoulement est en effet une bonne approximation du système hélicoïdal dans la limite des grands rayons et petits pas d’hélice. Dans ces conditions, et en utilisant un adimensionnement judicieux, on obtient également que le résultat théorique pour le taux de croissance spatio-temporel obtenu pour une double allée de tourbillons ponctuels s’avère être une bonne prédiction pour le cas hélicoïdal.Dans une seconde partie, on décrit comment un ou plusieurs tourbillons hélicoïdaux ont pu être générés de façon très peu perturbée à l’aide de modèles réduits de rotors dans le canal hydrodynamique du laboratoire. Grâce à l’introduction de perturbations d’amplitudes et de fréquences soigneusement contrôlées, le taux de croissance de l’instabilité d’appariement a pu être mesuré et comparé aux résultats théoriques. L’évolution non linéaire de ces perturbations ainsi que d’autres modes instables, à plus petites longueurs d’onde, ont également pu être observés expérimentalement pour la première fois.Enfin, ces résultats ont été appliqués au cas des rotors d’hélicoptères pour la prédiction du régime de Vortex Ring State (VRS) et à la transition vers la turbulence du sillage des éoliennesThis thesis is devoted to the stability properties of helical vortices, which are of interest for applications such as helicopter and wind turbine wakes.In a first part, the spatio-temporal development of the pairing instability is characterised for an infinite array of vortex rings, using a pseudo-spectral numerical code. We show that this axisymmetric flow model is indeed a good approximation of the helical system in the limit of large helix radius and small pitch. Under these assumptions, and by using appropriate dimensionless variables, we also show that the theoretical result concerning the spatio-temporal growth rate for a double row of point vortices represents a good prediction for the helical case.In a second part, we describe how one or several helical vortices were generated in a carefully controlled way using small-scale rotor models in the water channel of the laboratory. Introducing perturbations with well-defined amplitudes and frequencies, the growth rate of the pairing instability could be measured experimentally and compared to theoretical predictions. The non-linear evolution of these perturbations, as well as other unstable modes of smaller wavelengths, were also observed experimentally for the first time.Finally, these results were applied to helicopter wakes for the prediction of the Vortex Ring State (VRS) regime and to the transition to turbulence in wind turbine wakes
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Weber, Norbert. "Modellierung von Tayler-Instabilität und Elektrowirbelströmungen in Flüssigmetallbatterien." Doctoral thesis, Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden, 2016. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-199285.
Full textAbstract:
Diese Arbeit behandelt numerisch die Fluiddynamik in Flüssigmetallbatterien. Insbesonders die Tayler-Instabilität und Elektrowirbelströmungen werden ausführlich betrachtet. Die Motivation der Untersuchungen besteht zum einen in einer Steigerung von Leistung und Sicherheit und zum anderen in der Senkung von Produktions- und Betriebskosten von Flüssigmetallbatterien.
Es wird ein Lösungsverfahren für zeitabhängige magnetohydrodynamische Strömungen entwickelt und in OpenFOAM implementiert. Die Basisversion des Lösers erlaubt die Analyse einer flüssige Elektrode. Eine Erweiterung dient der Untersuchung des Einflusses von Stromsammler und Zuleitung der Batterie. Simulationen werden vorwiegend für zylindrische, aber auch für quaderförmige Elektrodengeometrien durchgeführt.
Der Hauptteil der Arbeit widmet sich der stromgetriebenen Tayler-Instabilität, die in großen Batterien bei Strömen von einigen Kiloampere auftritt und dort zu einer Strömung in Form von Konvektionszellen führt. Das Auftreten, Wachstum und die Geschwindigkeiten dieser Instabilität werden analysiert und deren Bedeutung für die Batterie diskutiert. Zur Dämpfung bzw. Unterdrückung der Strömung werden eine Reihe von Gegenmaßnahmen vorgestellt und deren praktischer Nutzen bewertet. Der zweite, kürzere Teil der Arbeit befasst sich mit Elektrowirbelströmungen, deren Charakterisierung und ihren Wechselwirkungen mit der Tayler-Instabilität. Die besondere Bedeutung von Elektrowirbelströmungen für die Integrität der Elektrolytschicht sowie ihre Anwendbarkeit für die Verbesserung des Stofftransports in Flüssigmetallbatterien werden vervorgehoben.
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Arbic, Brian K. "Generation of mid-ocean eddies : the local baroclinic instability hypothesis." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2000. http://hdl.handle.net/1721.1/53047.
Full textAbstract:
Thesis (Ph.D.)--Joint Program in Physical Oceanography (Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences and the Woods Hole Oceanographic Institution), 2000.Includes bibliographical references (p. 284-290).
by Brian Kenneth Arbic.
Ph.D.
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Mohamed, Jainulabdeen Mohammed Abdul Kadher. "Combustion Noise and Instabilities from Confined Non-premixed Swirl Flames." University of Cincinnati / OhioLINK, 2019. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=ucin1560867354695989.
Full text
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Qadri, Ubaid Ali. "Global stability and control of swirling jets and flames." Thesis, University of Cambridge, 2014. https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/245143.
Full textAbstract:
Large-scale unsteady flow structures play an influential role in the dynamics of many practical flows, such as those found in gas turbine combustion chambers. This thesis is concerned primarily with large-scale unsteady structures that arise due to self-sustained hydrodynamic oscillations, also known as global hydrodynamic instability. Direct numerical simulation (DNS) of the Navier--Stokes equations in the low Mach number limit is used to obtain a steady base flow, and the most unstable direct and adjoint global modes. These are combined, using a structural sensitivity framework, to identify the region of the flow and the feedback mechanisms that are responsible for causing the global instability. Using a Lagrangian framework, the direct and adjoint global modes are also used to identify the regions of the flow where steady and unsteady control, such as a drag force or heat input, can suppress or promote the global instability. These tools are used to study a variety of reacting and non-reacting flows to build an understanding of the physical mechanisms that are responsible for global hydrodynamic instability in swirling diffusion flames. In a non-swirling lifted jet diffusion flame, two modes of global instability are found. The first mode is a high-frequency mode caused by the instability of the low-density jet shear layer in the premixing zone. The second mode is a low-frequency mode caused by an instability of the outer shear layer of the flame. Two types of swirling diffusion flames with vortex breakdown bubbles are considered. They show qualitatively similar behaviour to the lifted jet diffusion flames. The first type of flame is unstable to a low-frequency mode, with wavemaker located at the flame base. The second type of flame is unstable to a high-frequency mode, with wavemaker located at the upstream edge of the vortex breakdown bubble. Feedback from density perturbations is found to have a strong influence on the unstable modes in the reacting flows. The wavemaker of the high-frequency mode in the reacting flows is very similar to its non-reacting counterpart. The low-frequency mode, however, is only observed in the reacting flows. The presence of reaction increases the influence of changes in the base flow mixture fraction profiles on the eigenmode. This increased influence acts through the heat release term. These results emphasize the possibility that non-reacting simulations and experiments may not always capture the important instability mechanisms of reacting flows, and highlight the importance of including heat release terms in stability analyses of reacting flows.
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Baey, Jean-Michel. "Instabilites d'un courant d'eau intermediaire." Grenoble 1, 1997. http://www.theses.fr/1997GRE10095.
Full textAbstract:
Des experiences ont ete menees dans la grande cuve tournante du laboratoire coriolis pour etudier la stabilite d'un courant d'eau intermediaire. On introduit a l'interface d'un bicouche une eau de densite intermediaire le long de la paroi verticale. Le debit du courant a la sortie de l'injecteur et la hauteur d'eau dans la cuve sont constants. Un tel courant est caracterise par cinq nombres adimensionnels : trois rapports geometriques, le nombre de rossby ou de froude et le nombre d'ekman. On a observe cinq comportements principaux d'une veine d'eau intermediaire : (1) un courant stable le long de la paroi de la cuve pour des grands nombres de rossby et d'ekman definis a la sortie de l'injecteur ; une nette evolution du comportement du courant quand ces nombres diminuent avec (2) une serie de tourbillons cycloniques en aval d'une partie stable, (3) une instabilite anticyclonique, (4) des dipoles se detachant du courant et (5) le detachement de lentilles d'eau intermediaire anticycloniques s'apparentant aux meddies pour les plus petites valeurs des nombres de rossby et d'ekman. Chaque instabilite est aussi caracterisee par les nombres adimensionnels locaux definis juste en amont de l'instabilite. Un modele analytique en shallow-water a ete developpe et s'adapte aux experiences presentant un caractere instable. Le calcul des transferts d'energie montre que la nature des differentes instabilites est mixte c'est a dire a la fois barotrope et barocline. En fait, le type de phenomene qui apparait depend de l'importance relative de l'instabilite barotrope par rapport a l'instabilite barocline. Un courant stable, quant a lui, est geostrophique. Son elargissement en aval peut s'expliquer avec l'existence de transports d'ekman aux interfaces et des instabilites de type kelvin-helmholtz.
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Leclercq, Tristan. "Flow-induced deformations and stress reduction by flexibility." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLX006/document.
Full textAbstract:
La déflection statique d'une structure flexible exposée à un écoulement transverse permet classiquement de réduire la traînée à laquelle elle est soumise. Dans le domaine de la biomécanique, la déformation induite par l'écoulement d'éléments végétaux flexibles conduisant à une réduction du chargement est désignée par le terme `reconfiguration' pour souligner le caractère avantageux de ce processus adaptatif. Dans cette thèse, nous examinons les mécanismes qui sous-tendent le processus de reconfiguration, dans des systèmes fluide-structure présentant une variabilité spatiale, ou de la dynamique provenant au choix de l'instationnarité de l'écoulement de base, d'un couplage fluide-structure conduisant à une instabilité, ou de vibrations induites par vortex. Nous montrons que l'aptitude des structures flexibles à réduire l'intensité du chargement imposé par l'écoulement est preservée en présence de non-uniformités ou de dynamique, à condition que le design de la structure soit tel que la traînée résistive domine les forces inertiels. Nous montrons de plus que la capacité à se déformer présente l'avantage supplémentaire de permettre la réduction des vibrations induites par vortex. Notre travail indique également que des structures légères et élancées sont les mieux adaptées pour supporter les chargements induits par l'écoulement en se reconfigurant, et que l'efficacité de la réduction du chargement par reconfiguration élastique dépend faiblement de la distribution spatiale des propriétés du système. Finalement, la réduction des chargements résulte toujours, indépendamment du régime de reconfiguration, de la concentration de la déformation sur une longueur caractéristique inférieure à la longueur réelle de la structureThe static deflection of a flexible structure exposed to a transverse flow is classically known to reduce the drag it has to withstand. In the field of biomechanics, the flow-induced deformation of flexible plant elements leading to a reduction of the loads is referred to as `reconfiguration', in order to highlight the alleged benefits of such adaptive process. In this thesis, we investigate the mechanisms underpinning the reconfiguration in flow-structure systems featuring some spatial variability, or some dynamics arising either from the unsteadiness of the free-stream, from a flow-structure coupling leading to an instability, or from vortex-induced vibrations. We show that the ability of flexible structures to reduce the magnitude of the flow-induced loads is preserved in the presence of non-uniformities or dynamics, provided that the design of the structure is such that resistive drag dominates over inertial forces. We also show that the ability to deform has the added benefit of reducing the magnitude of the vortex-induced vibrations. Our work further indicates that light, slender structures are better suited to accommodate the flow-induced loads by reconfiguring, and that the efficiency of the process of load reduction by elastic reconfiguration is weakly sensitive to the spatial distribution of the system properties. Finally, regardless of the regime of reconfiguration, the reduction of the load always results from the concentration of the deformation on a characteristic bending length smaller than the actual length of the structure
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Shankare, Gowda Vrishank Raghav. "Radial flow effects on a retreating rotor blade." Diss., Georgia Institute of Technology, 2014. http://hdl.handle.net/1853/53403.
Full textAbstract:
This work studies the effects of radial flow on the aerodynamic phenomena occurring on a retreating blade with a focus on dynamic stall and reverse flow as applied to both a helicopter rotor in forward flight and a wind turbine operating at a yaw angle. While great progress has been made in understanding the phenomenon of two-dimensional dynamic stall, the effect of rotation on the dynamic stall event is not well understood. Experiments were conducted on a rigid two bladed teetering rotor at high advance ratios in a low speed wind tunnel. Particle image velocimetry (PIV) measurements were used to quantify the flow field at several azimuthal angles on the rotating blade during the dynamic stall event. The effect of centrifugal forces induced ``pure'' radial velocity on the dynamic stall event at 270 degrees azimuth was studied in detail. Further investigation of the radial flow field suggested that the mean radial velocity attenuated on moving outboard due to an apparent shear layer instability and it was demonstrated to be of first order importance in the flow field. These radial flow results prompted an exploration of the flow over a rotating disk to establish similarities of the radial flow over rotating blade in separated flow to that over a rotating disk in separated flow. While a greater part of this work focused on aspects of dynamic stall on the retreating blade, the final parts focus on the exotic flow regime of reverse flow (characterized by flow from the trailing edge to the leading edge of the blade). Aerodynamic loads measurement and surface flow visualization via tufts are used to first quantify the behavior of a static yawed blade in reverse flow. PIV measurements are then used on a static yawed blade and a rotating blade in reverse flow conditions to ascertain the effects of rotation on reverse flow.
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Nguyen, Quang Duy. "Numerical and Experimental Investigations of Flows over Confined Circular Cylinders." Thesis, The University of Sydney, 2022. https://hdl.handle.net/2123/29401.
Full textAbstract:
This study is concerned with flows past confined circular cylinders symmetrically positioned between two parallel plates over a wide range of blockage ratios (β) and Reynolds numbers (Re). Such flow configuration is highly relevant to engineering applications such as for mixing and heat transfer enhancement. Although previous studies have examined the effects of confinement on the flow behaviour and hydrodynamic properties of circular cylinders, there exists a clear knowledge gap in terms of the lift and drag coefficients and the Strouhal number of the confined cylinder at moderate blockage ratios (β ≤ 0.5). Further, the role of the separated shear layers on wake dynamics at high blockage ratios is not well understood. The purpose of the present study is to obtain fundamental understandings of the hydrodynamic characteristics, the wake dynamics and the role of the separated shear layers in the confined flows. The thesis covers two major investigations of a confined circular cylinder at moderate blockage ratios and at a high blockage ratio respectively, and both numerical simulation and experimental measurement are adopted in this project.
The first investigation is concerned with the hydrodynamic properties and wake dynamics of a confined circular cylinder at blockage ratios between 1/6 and 1/2. A three-dimensional numerical simulation is carried out using Direct Numerical Simulation and Large Eddy Simulation over the Reynolds number range of 300 ≤ Re ≤ 30,000. The results obtained from the numerical simulations have fulfilled a gap of data in the literature. Further, the relationships of the lift and drag coefficients and the Strouhal number with the blockage ratios are also revealed. An interesting phenomenon observed in the wake is an inversion of von Kármán vortex street, which appears at all the blockage ratios under consideration for 300 ≤ Re ≤ 1,000, due to the influence of the wall shear layers. It is found that the invert location where the reverse Kármán vortex street takes place is mainly dependent on the blockage ratio. To validate the numerical results, a Particle Image Velocimetry (PIV) measurement is conducted at Re < 1,300 in a water flume using a high-speed camera and a continuous wave laser. The experimental data have successfully validated the numerical results at different blockage ratios. Further, two vortex shedding modes including symmetric shedding and alternating shedding modes are observed at β = 1/3 and 1/2.
In the second investigation, both experimental measurement and numerical simulation are carried out for flows over a highly confined circular cylinder at a fixed blockage ratio of β = 0.6. A PIV measurement is conducted using the previous setup for Re < 1,500. It is found that the vortex shedding in the wake switches between the symmetric and alternating shedding modes, which may be due to the presence of low-frequency mode perturbations in the experimental setup. It is understood that at this blockage ratio, the shear layers separating from the cylinder become excessively long and susceptible to upstream turbulence, and the dynamics of the separated shear layers control the wake dynamics. A mixing layer theory is adopted with adjustment to predict the behaviours of the highly confined flows, which show very good agreement with the PIV results. A separate experiment is conducted at Re = 927 to measure the drag coefficient of the confined cylinder using strain gauges. The results from the force measurement are consistent with the numerical data.
Inspired by the PIV measurement, a dedicated numerical simulation is conducted at β = 0.6 and Re = 1,000 to examine the responses of the flows over a highly confined cylinder at various excitation frequencies. It is revealed that the vortex shedding frequency and the excitation frequency are locked on over four sub-regimes of the excitation frequencies. It is also found that the responses of the separated shear layers to the excitations determine the lock-on behaviour, which is remarkably different from that of an unconfined cylinder.
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Ertugrul, Suat Erdem. "The Effects Of Geometric Design Parameters On The Flow Behavior Of A Dual Pulse Solid Rocket Motor During Secondary Firing." Master's thesis, METU, 2012. http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12615184/index.pdf.
Full textAbstract:
The ability of a propulsion system is very crucial for the capability of a missile or a rocket system. Unlike liquid propellant rocket motors, the only control mechanism of the thrust value is the propellant geometry in solid propellant rocket motors. When the operation of solid propellant rocket motor has started, it cannot be stopped anymore. For this main reason the advance of dual pulse motor technology has started. The aim of this study is to investigate the geometrical effects of design parameters on the flow behavior of a dual pulse solid propellant rocket motor by using commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. For the CFD analysis, a generic dual pulse rocket motor model is constituted. Within this model, initially four different geometry alternatives of Pulse Separation Device (PSD) are analyzed. To begin PSD analyses, mesh sensitivity analyses are performed on one PSD geometry alternative. By defined grid size, the analyses of PSD geometry alternatives are performed. Computed results were compared in terms of flow behavior (flow streamlines, velocity distribution, turbulent kinetic energy&hellipetc.) with each other. With the selected PSD geometry alternative the effects of L/D ratio (Length/Diameter ratio) of first pulse chamber, Achamb/APSD ratio (Chamber area/PSD opening area) and APSD/Ath ratio (PSD opening area/Throat area) on the flow behavior is investigated. Flow analyses are performed by simulating the unsteady flow of second pulse operation. With the performed analyses, it is aimed to identify generic geometric definitions for a dual pulse rocket motor.
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Ali, Mohamed. "Caractérisation et instabilités des tourbillons hélicoïdaux dans les sillages des rotors." Thesis, Aix-Marseille, 2014. http://www.theses.fr/2014AIXM4708/document.
Full textAbstract:
Les tourbillons hélicoïdaux générés derrière les rotors sont étudiés. Pour les générer, une méthode basée sur le couplage entre la technique de la ligne active et un solveur des équations de Navier-Stokes (ENS), incompressibles et tridimensionnelles, a été développée. Elle consiste à modéliser la pâle par son équivalent de forces volumiques. Les équations, écrites en coordonnées cylindriques, sont résolues par un schéma de différences finies, écrit en parallèle. La méthode est d'ordre deux en temps et en espace. Le solveur des ENS a été validé par la reproduction des taux de croissance d'un écoulement de jet, instable, trouvés par la théorie d'instabilité linéaire. La comparaison avec des données expérimentales a montré que la méthode prédit bien l'aérodynamique de la pâle. Ensuite, le tourbillon de bout de pâle a été, en particulier, caractérisé. La vorticité et la vitesse azimutale ont été trouvées auto-similaire et la taille du coeur suit asymptotiquement la loi de diffusion linéaire 2D. Un modèle simple du coeur du tourbillon a été proposé. La présence d'une vitesse axiale dans le coeur du tourbillon a été montrée et a été caractérisée en fonction du rapport de vitesse au bout de la pâle. Finalement, une étude de stabilité du tourbillon a été faite en utilisant une vitesse angulaire variable pour perturber l'écoulement. Les taux de croissances des modes les plus instables sont en bon accord avec celui de l'instabilité d'appariement 2D des tourbillons. Trois types de modes ont été identifiés en fonction de la fréquence des perturbations et ont été trouvés similaires aux modes décrits par la théorie et aussi trouvés, précédemment, par l'expérienceThis present work is aimed to study helical vortices encountered in the wakes of rotating elements. For this, the generation of a helical wake of a one-bladed-rotor in a laminar velocity field, is simulated by the actuator line method. This method is a coupling of a Navier-Stokes (NS) solver with the Actuator Line Method where the blade is replaced by the body forces. This method has been implemented in a finite difference code, that we have written in parallel to solve the 3D incompressible NS equations written in cylindrical coordinates. The order of accuracy of the method is two both in time and space. The NS solver was validated comparing growth rates of an unstable jet, found numerically, and those of linear instability theory. A good agreement was found. A good agreement was also found comparing numerical results to analytical formulations and experimental data. It was shown that the method predicts well the blade aerodynamics . Then, the helical tip vortex is characterized for different Reynolds numbers and Tip Speed Ratios. The vorticity and the azimuthal velocity were found self-similar and the vortex core follows asymptotically the linear 2D diffusion law. A simple model for the helical vortex core was proposed. The presence of an axial velocity inside the vortex core was highlighted. Then, a stability study of the helical tip vortex was done using an angular velocity dependent on time to perturb the flow. The largest growth rates were found in good agreement with those of the (2D) pairing instability. Three types of modes were identified based on the perturbation frequency. The results are similar to those found in previous analytical and experimental works
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Garnier, Elodie. "Étude numérique des instabilités de jets baroclines." Grenoble INPG, 1996. http://www.theses.fr/1996INPG0011.
Full textAbstract:
Les instabilites de jets soumis a l'influence d'une rotation rapide et de gradients horizontaux de temperature, ont ete etudiees par simulations numeriques des equations de boussinesq non hydrostatiques. On a developpe un code de calcul base sur des methodes mixtes pseudo-spectrale/differences finies d'ordre eleve. Pour ces ecoulements, l'instabilite barocline et l'instabilite de kelvin-helmholtz sont susceptibles de se developper simultanement. Un des objectifs est de determiner l'influence des caracteristiques de l'ecoulement initial sur la selection de l'une ou l'autre de ces instabilites. Une etude detaillee de l'instabilite lineaire a ete menee en fonction des nombres de rossby r#o et froude f. Elle a permis d'identifier une valeur critique du parametre r#o/f. Celle-ci delimite deux regimes distincts qui sont decrits et analyses dans la phase developpee de l'instabilite. Pour des valeurs sur-critiques du parametre, l'instabilite est essentiellement d'origine inflexionnelle et les structures s'apparentent a une allee tourbillonnaire. Pour des valeurs sous-critiques, l'instabilite barocline est preponderante et conduit a la formation de cyclones bidimensionnels et de fronts cycloniques intenses. Une analyse des termes de production de vorticite verticale a montre que les mecanismes d'etirement sont responsables de la dissymetrie du champ de vorticite. L'influence des nombres de rossby et de prandtl a ensuite ete abordee. Enfin, une etude de la phase tardive de l'instabilite a grand nombre de reynolds a ete realisee, a l'aide d'une modelisation sous-maille originale. Cela a permis de mettre en evidence le developpement d'instabilites secondaires, conduisant a la formation de cyclones a petite echelle. Ces structures ont ete identifiees comme resultant d'une instabilite barocline du front froid. Ces resultats sont compares a ceux que fournissent des modeles classiques de type hyperviscosite
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Colaciti, Alysson Kennerly. "Aeroacústica e instabilidades de uma camada de mistura compressível." Universidade de São Paulo, 2009. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18148/tde-26052009-145506/.
Full textAbstract:
Tanto os motores turbo-jato quanto os turbo-fan, são os maiores responsáveis pela geração de ruído durante a decolagem, segmento de subida e de aceleração de uma aeronave. Devido a isto, o problema de ruído em jatos vem sendo intensamente investigado ao longo dos últimos anos. Já na fase do pouso, o slat é uma das fontes de ruído mais importantes. Para este caso, na maioria das aplicações práticas, existe o descolamento da camada limite no intradorso do slat a partir de onde se desenvolve uma camada de mistura. Ainda assim, existem inúmeros aspectos de tais escoamentos que precisam de investigação. Uma abordagem frequentemente feita para o estudo da instabilidade hidrodinâmica e ruído em jatos é o estudo de metade do jato. A estratégia consiste em estudar os fenômenos na camada de mistura, o que é uma aproximação razoável quando o jato tem diâmetro muito grande comparado à espessura da camada cisalhante que se desenvolve nas bordas do jato. Assim, alguns aspectos do ruído gerado pelos modos axi-simétricos de instabilidade são em grande parte reproduzidos. Um aspecto aparentemente jamais estudado antes é o efeito do emparelhamento de vórtices de diferentes geometrias na camada de mistura. Caso o efeito da modulação dos vórtices produzisse um padrão de ruído com características diferentes no emparelhamento, um controle ativo de escoamento por excitação periódica poderia ser usado para reduzir o ruído em jatos. O objetivo do presente trabalho é investigar tal efeito. A idéia é investigar este emparelhamento de vórtices na camada de mistura em desenvolvimento temporal bi-dimensional. Com isto foi possível visualizar um emparelhamento isolado de outros emparelhamentos e sem o efeito Doppler (presente na camada de mistura em desenvolvimento espacial). O método adotado foi a simulação numérica direta (DNS) das equações de Navier Stokes compressíveis na forma não-conservativa escritas na formulação característica. Os resultados mostram que a modulação dos vórtices não produz alteração significativa do ruído gerado no emparelhamento.Turbo-fan and turbo-jet engines are the most important noise sources during the aircraft take off, climb and acceleration segments. Owing to this fact, the jet flow noise has been studied in the past years. For the landing stage, the slat is an important sound source. In this case, the slat leading edge frequently experiences a boundary layer deattachment causing the development of a mixing layer inside the slot. Nevertheless, there are many aspects of such phenomenon that have not been studied yet. Mixing layers constitutes an usual approach for jet flow instability in aeroacoustics studies. The stategy is to study the mixing layer in order to understand the jet-flow. This strategy becomes better as the ratio between the jet diameter and mixing layer thickness becomes larger. This approach is only reazonable for the jet flow axi-symetric unstable modes. The effect of vortex modulation on the vortex pairing sound production has not been found in the literature. If such effect could cause a significant change in the sound generation patterns, an active flow control system could be developed in order to enhance the jet noise performance. The purpose of the present work was to investigate such effect. It was also possible to observe a single vortex pairing inside a wide domain without the Doppler effect. The strategy was to study the vortex pairing in a bi-dimensional mixing layer under temporal development. The method used was the direct numerical simulation (DNS) of the compressible bidimensional (2D) Navier Stokes equations written in a nonconservative form of the characteristics formulation. The results showed that the vortex modulation did not produce a significant change on the vortex pairing sound.
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Costa, Junior Rubens Pereira. "Efeito combinado da relaxação da corrente e de uma camada de corrente-vórtice sobre a instabilidade magneto-rotacional." reponame:Repositório Institucional da UFABC, 2014.
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Orientador: Prof. Dr Eugenio Mendonça da SilveiraDissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2014.
Neste trabalho, discutimos o efeito combinado de uma relaxção infinita para a corrente e da formação de uma camada de corrente-vórtice sobre a instabilidade magneto-rotacional em um uido condutor. Mostramos que a amplificação relativa da viscosidade magnética, desde a estabilidade marginal até a instabilidade determinada pela taxa de crescimento máxima da perturbação, é de aproximadamente 924% quando efeitos resistivos são dominantes e que ela é de aproximadamente 220% no limite ideal. Isto significa que o efeito combinado é muito mais efciente para amplicar viscosidade magnética que a simples in uência devida à tensãoo magnética usual. Os resultados apresentados aqui podem contribuir para a compreensão dos vários processos que desempenham um papel significativo no mecanismo da viscosidade anômala observada em discos de acreção keplerianos. Argumentamos que o novo efeito deve ser relevante em discos de acreação delgados. Finalmente, apresentamos uma proposta de continuidade natural deste trabalho.
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Lima, Thamires Andrade. "Pico de Bóson e transições dinâmicas em água confinada em aminoácidos." reponame:Repositório Institucional da UFABC, 2014.
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Orientador: Prof. Dr Eugenio Mendonça da SilveiraTese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2014.
Neste trabalho, discutimos o efeito combinado de uma relaxção infinita para a corrente e da formação de uma camada de corrente-vórtice sobre a instabilidade magneto-rotacional em um uido condutor. Mostramos que a amplificação relativa da viscosidade magnética, desde a estabilidade marginal até a instabilidade determinada pela taxa de crescimento máxima da perturbação, é de aproximadamente 924% quando efeitos resistivos são dominantes e que ela é de aproximadamente 220% no limite ideal. Isto significa que o efeito combinado é muito mais efciente para amplicar viscosidade magnética que a simples in uência devida à tensãoo magnética usual. Os resultados apresentados aqui podem contribuir para a compreensão dos vários processos que desempenham um papel significativo no mecanismo da viscosidade anômala observada em discos de acreção keplerianos. Argumentamos que o novo efeito deve ser relevante em discos de acreação delgados. Finalmente, apresentamos uma proposta de continuidade natural deste trabalho.
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Gennaro, Elmer Mateus. "Análise da instabilidade hidrodinâmica de uma esteira assimétrica." Universidade de São Paulo, 2008. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18148/tde-22042008-112415/.
Full textAbstract:
Em uma aeronave, dispositivos de hiper-sustentação à altos ângulos de ataque promovem a formação de esteiras. Tais esteiras influenciam o desempenho aerodinâmico. A esteira do eslate, por exemplo, afeta o ponto de transição do elemento principal da asa e é a fonte de ruído mais importante na estrutura do avião. Devido a geração de sustentação estas esteiras são assimétricas. Corpos imersos em escoamento cisalhante também produzem esteiras assimétricas, com importantes aplicações para a indústria petrolífera. Existem aspectos de tais escoamentos que precisam de investigação. Por exemplo, não há consenso sobre se pode ou não a assimetria suprimir desprendimento de vórtice ou como afeta o desprendimento da frequência. Na verdade, existe uma aparente discrepância entre os resultados encontrados na literatura. O objetivo do presente trabalho é contribuir para esta questão. A idéia foi investigar a influência da assimetria em um perfil de esteira bidimensional sob desenvolvimento temporal. O perfil da esteira assimétrica foi obtido por uma combinação entre um perfil de uma esteira gaussiana e um perfil tangente hiperbólico da camada de mistura. Foi desenvolvido uma análise bidimensional (2D) da teoria de estabilidade linear para o perfil. O trabalho também incluiu simulações numéricas diretas (DNS) bidimensionais da evolução da perturbação usando formulação característica das equações compressíveis de Navier-Stokes na forma não-conservativa. Os resultados mostraram que a assimetria reduz o frequência de desprendimento para a faixa investigada do parâmetro de assimetria 0 \'< OU =\' K \'< OU =\' 0,25. Para pequenos valores deste parâmetro os resultados mostraram que a assimetria promove a estabilidade. Efeitos do número de Mach na esteira assimétrica também foram investigados. Os resultados mostraram que o aumento do Ma reduziu a máxima taxa de amplificação e a banda instável. Além disso, os resultados da literatura foram reconciliados, levando-se em conta a variação do coeficiente de arrasto com a assimetria. Portanto, uma possível explicação para a controvérsia foi oferecido.In an aircraft, high-lift devices operating at high angle of attack promote the formation wakes. Such wakes influence the aerodynamic performance. The slat wake, for example, affects the transition point of the wing main element and is the most important source of noise in the airframe. Owing to the generation of lift these wakes are asymmetries. Bodies immersed in a shear flow also produce asymmetric wakes, with important applications to the oil industry. There are aspects of such flows that need investigation. For instance, there is no consensus about whether or not the asymmetry can suppress vortex shedding or how it affects the shedding frequency. Indeed there is an apparent discrepancy between results found in literature. The aim of the present work was to contribute to this issue. The idea was to investigate the influence of asymmetry on a two-dimensional wake profile under temporal development. The asymmetric wake profile was obtained by a combination between a Gaussian wake profile and a hyperbolic tangent mixing layer profile. The bidimensional (2D) linear stability theory analysis of the profile was performed. The work also included 2D Direct Numerical Simulation (DNS) using the characteristic formulation of the compressible Navier-Stokes equations in non-conservative form. The results showed that the asymmetry reduces the shedding frequency for the range of 0 \'< OU =\' K \'< OU =\' 0,25 investigated. For small values of the asymmetric parameter the results showed that the asymmetry promotes stability. Effects of the number of Mach in asymmetric wake also were investigated. The results showed that the increase of Ma reduced the maximum rate amplification and the band unstable. Moreover, the results from literature were reconciled by taking into account the variation of the drag coefficient with the asymmetry. Therefore, a possible explanation for the controversy was offered.
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Dumouchel, Fabien. "Etude expérimentale des champs dynamiques et thermiques de l'écoulement de Benard-Von Karman en aval d'un obstacle chauffé dans l'air et dans l'eau." Rouen, 1997. http://www.theses.fr/1997ROUES067.
Full textAbstract:
Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale de l'écoulement en aval d'un obstacle chauffé ou non (cylindre circulaire ou ruban) dans une gamme de nombres de Reynolds où le sillage 2D-périodique est caractérisé par l'existence d'une allée de Benard-Von Karman. Cette étude a été entreprise dans l'air et dans l'eau, en utilisant l'ADL pour la mesure des vitesses et la thermométrie à fil froid ou à thermocouple à fil fin pour la mesure des températures. Des études antérieures ont montré que ce type d'écoulement était très sensible au chauffage de l'obstacle, conduisant à une stabilisation dans le cas des gaz et à une déstabilisation dans le cas des liquides. L'objectif principal de cette étude a été de prendre en compte l'influence du chauffage sur le régime de l'écoulement quand ce contrôle thermique est uniquement dû aux modifications des propriétés physiques du fluide. Après une étude du champ de vitesse en aval d'un obstacle non chauffé, la même étude est entreprise dans le cas où l'obstacle est chauffé. Pour appréhender l'effet du chauffage sur le régime d'écoulement, les notions de température effective et de nombre de Reynolds effectif re#e#f#f ont été développées. L'ensemble des résultats obtenus dans l'air et dans l'eau montre que les caractéristiques de l'écoulement sont similaires dans des situations ou les re#e#f#f sont identiques, pour des valeurs différentes des vitesses amonts et du chauffage. L'utilisation de re#e#f#f permet également de comparer les champs thermiques dans l'air et dans l'eau. L'effet du nombre de Prandtl se traduit par des largeurs initiales des sillages thermiques beaucoup plus faibles dans l'eau que dans l'air et des écarts de température moyenne et des intensités des fluctuations de température beaucoup plus élevées dans l'eau que dans l'air. En revanche le nombre de Nusselt de l'obstacle chauffé dépend d'un nombre de Reynolds intermédiaire entre re#f#i#l#m et re#e#f#f.
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Moturi, Viswa Maitreyi. "Etude expérimentale d'instabilités à travers la convection turbulente de Rayleigh-Bénard et les instabilités de trajectoires de bulles en ascension." Thesis, Strasbourg, 2019. http://www.theses.fr/2019STRAD030.
Full textAbstract:
Les présents travaux portent sur deux problèmes classiques de mécanique des fluides: la convection turbulente de Rayleigh-Bénard en rotation et l’instabilité de la trajectoire de bulles en ascension dans un liquide. Pour ce qui concerne la convection turbulente de Rayleigh-Bénard en rotation, les champs de vitesse et de température ont été mesurés respectivement par PIV (Particle Image Velocimetry) et par LIF (Laser Induced Fluorescence) dans le plan de symétrie vertical de notre cellule cylindrique de rapport d’aspect 1. Les résultats de PIV confirment l’affaiblissement de la circulation à grande échelle en fonction des nombres Rossby décroissants – jusqu’à sa disparition totale – ainsi que la formation de colonnes de vortex en régime dominé par la rotation. Par des corrélations croisées sur le champ de vitesse, il a été possible de montrer expérimentalement que la vorticité dans les colonnes changeait de signe au centre de la cellule. Les fluctuations de vitesses dans la cellule sont fortement anisotropiques et suivent une loi d’échelle en Ro0.2 en régime affecté par la rotation. La température des colonnes de vortex tout comme celle des panaches a été estimée par des mesures LIF. Pour ce qui concerne l’instabilité de la trajectoire de bulles en ascension, les bulles petites montent verticalement, alors qu’au-dessus d’une certaine taille, elles montent en zigzag ou en suivant une trajectoire hélicoïdale. De nouveaux points expérimentaux sur la courbe de stabilité marginale ont été obtenus en travaillant dans des huiles de silicone de 5 et 10 cst et dans l’eau. L’accord avec les résultats des simulations numériques les plus récentes n’est que partiel. La vitesse ascensionnelle, la fréquence et l’amplitude des oscillations ont été mesurées et suggèrent une bifurcation de Hopf supercritiqueThe present work focuses on two common fluid flow problems namely, Turbulent Rayleigh-Bénard Convection and Path instability of rising bubbles immersed in a liquid. Concerning Rotating Turbulent Rayleigh-Bénard Convection, the flow field and temperature field were measured respectively by Particle Image Velocimetry (PIV) and Laser Induced Fluorescence (LIF) in a vertical plan of symmetry of our cylindrical cell of aspect ratio 1. The weakening of the Large Scale Circulation with decreasing Rossby number - leading to its complete disappearance - was confirmed as well as the formation of vortex columns in the rotation dominated regime. By doing velocity cross correlations, it has been possible to prove experimentally that the vorticity of the columns change direction in the cell’s center. The velocity fluctuations in the cell are highly anisotropic and follow a scaling of Ro0.2 in the rotation affected regime. The temperature of the vortex columns as well as of individual plumes has been estimated by LIF measurements. Concerning the Path instability of rising bubbles, small bubbles rise in straight path, whereas beyond a critical size, bubbles rise in zigzag or helical path. Some new experimental points on the marginal stability curve have been obtained by working in silicon oils of 5 and 10 cst and in water. The agreement with the most recent numerical simulations is only partial. The rise velocity, frequency and amplitude of oscillation have also been measured and suggest a supercritical Hopf bifurcation
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Omowunmi, Sunday Chima. "Modelling the nonlinear dynamics of polymer solutions in complex flows." Thesis, University of Manchester, 2011. https://www.research.manchester.ac.uk/portal/en/theses/modelling-the-nonlinear-dynamics-of-polymer-solutions-in-complex-flows(3230a688-0ea4-4620-bda1-396346feb645).html.
Full textAbstract:
The flow of polymer solutions in the high Elasticity number, El, regime in complex geometries may lead to strong viscoelastic behaviour and eventually become unstable as the Weissenberg number, Wi, is increased beyond a critical level. So far, the success of numerical simulations in predicting the highly non-linear behaviour of polymer solutions in complex flows has been limited. In this thesis, selected constitutive models are evaluated under the high El flow regime in the cross-slot and contraction benchmark flows using a numerical technique based on the finite volume method. The numerical technique is implemented within the OpenFOAM framework and thoroughly validated in the benchmark flow. A modification to the FENE dumbbell model based on the non-affine deformation of polymer solutions is proposed, which enabled the prediction of some non-linear material functions and also enhanced numerical stability, allowing a higher Wi to be attained. Asymmetric flow instability in the cross-slot flow has been studied. Time-dependent stability diagrams were constructed based on Wi and the strain, ε, both of which govern the stretching of a polymer chain. In the contraction flow, elastic instability is simulated for the first time in this geometry. Substantial time-dependent asymmetric flow patterns were predicted as seen in experiments. The effect of the contraction ratio is investigated through a stability diagram. Three-dimensional finite element simulations were also carried out to study the effect of the aspect ratio in the contraction flow of a Phan-Thien-Tanner fluid. The simulations suggest that a lip vortex mechanism is a signature for the onset of strong viscoelastic behaviour.
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Hamma, Laurence. "Etude de la diffusion de la chaleur en aval d'un cylindre chauffé à faible nombre de Reynolds (40." Rouen, 1988. http://www.theses.fr/1988ROUES031.
Full textAbstract:
Etude expérimentale. On utilise le chauffage du cylindre pour modifier les propriétés du fluide et contrôler ainsi le phénomène tourbillonnaire. Analyse du champ thermique. La température effective contrôlant le développement de la double allée de Von Karman est très inférieure à la température de film. Etude du couplage entre un écoulement amont turbulent et le sillage en aval du cylindre
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Caton, François. "Écoulement de Taylor-Couette stratifié : régimes, bifurcations et transport." Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015), 1998. http://www.theses.fr/1998GRE10071.
Full textAbstract:
Cette these est consacree a l'etude experimentale et theorique de l'ecoulement de taylor-couette en presence d'une stratification axiale stable. Une analyse de stabilite lineaire predit le caractere oscillatoire du seuil d'instabilite. Les visualisations montrent que le premier regime instable est un regime d'ondes stationnaires axisymetriques. Un modele theorique base sur l'existence d'ondes internes confinees est en bon accord avec les mesures des fluctuations temporelles de densite dans ce regime. Le second regime est un regime de vortex non-axisymetriques dont la taille verticale est diminuee par la stratification, les vortex etant presents par paires a une meme hauteur et tournant a la vitesse moyenne dans l'entrefer. La transition entre le regime des ondes et celui de vortex presente de l'hysteresis. Un diagramme des bifurcations du systeme pour les deux premiers regimes est alors propose. Dans le regime suivant, nous avons note la coexistence de structures stationnaires et de defauts. Enfin nous nous sommes interesses a un regime presentant des cellules ressemblant a des vortex de taylor, mais couples par paires. Ces deux regimes presentent des spectres faiblement turbulents. Enfin, une etude du transport d'un traceur passif dans les differents regimes a ete realisee, mettant en evidence l'existence de regimes de diffusion anormale au temps courts. Au temps longs, une diffusion normale est obtenue, le coefficient de diffusion effectif augmentant de facon quadratique avec le taux de rotation du cylindre interieur.
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Kubíček, Radek. "CFD simulace vibrací vyvolaných prouděním." Master's thesis, Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, 2019. http://www.nusl.cz/ntk/nusl-403865.
Full textAbstract:
The presented diploma thesis focuses on flow-induced vibrations of a tube. The main aim and benefit is the analysis of tube stiffness in contact with the other one and the following use of obtained values and characteristics in CFD simulations. The work can be divided into three parts. The first part is about the current state of knowledge of flow-induced vibrations. It introduces the basic mechanisms of vibration and methods for their suppression. The second part deals with the determination of stiffness of defined geometry tube including the collision with the other tube. The final part demonstrates and evaluates the application of obtained characteristics in CFD simulations.
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Peerhossaini, Hassan. "L'instabilite d'une couche limite sur une paroi concave : les tourbillons de gortler." Paris 6, 1987. http://www.theses.fr/1987PA066023.
Full textAbstract:
Etude en canal hydrodynamique de processus de formation des rouleaux de goertler pres du seuil d'instabilite. Visualisation par fluorescence induite par laser et mesure du champ de vitese par anemometrie laser doppler. On identifie trois instabilites secondaires et on propose un modele simple decrivant la premiere
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Gardarin, Benoît. "Contrôle par générateurs de vortex d'un écoulement turbulent décollé." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2009. http://www.theses.fr/2009EPXX0084.
Full textAbstract:
Cette thèse traite de l’étude et du contrôle par générateurs de tourbillons d’un écoulement turbulent décollé. Le travail expérimental se base sur un décollement turbulent de couche limite en aval d’une marche descendante arrondie de faible rapport d’aspect, qui modélise une entrée d’air coudée d’avion de combat. Dans une première partie, on se concentre sur la dynamique de l’écoulement décollé. Celle-ci s’avère très complexe, et fait intervenir au moins trois phénomènes distincts : une instabilité de couche de mélange, un battement bidimensionnel, ainsi qu’une oscillation tridimensionnelle. La seconde partie traite du contrôle de ces phénomènes. La démarche consiste à utiliser des actionneurs de contrôle de type générateurs de vortex (VGs) mécaniques et fluidiques. Une étude empirique permet d’extraire des configurations permettant de réduire significativement l’étendue des surfaces décollées. On montre ensuite que l’efficacité de ces actionneurs dépend de deux mécanismes : le premier d’entre eux est un mécanisme de mélange, qui peut être caractérisé par la circulation des tourbillons générés ; le second est un mécanisme d’instabilité tourbillonnaire, qui est responsable de la destruction des vortex. Deux critères d’optimisation construits sur une base de temps caractéristiques sont ainsi proposés et validés sur notre cas expérimental, ainsi que sur d’autres études de la littératureThis study deals with turbulent flow separation and its control by means of vortex generators. The experimental study is conducted downstream of a rounded ramp modeling an aircraft air intake. Due to this curvature, turbulent flow separation occurs. The first part of the work investigates the separation behavior, which involves at least three mechanisms: a mixing layer instability, a bi-dimensional beating of the recirculation bubble, and a three dimensional oscillation. The second part is devoted to the control. Both mechanical and fluidic vortex generators are used. A parametrical study allows the determination of two efficient configurations, which reduces the separated areas. Then, we show that the efficiency of this specific control strategy depends on two mechanisms: the first one is mixing, which can be characterized by the vortex circulation. The second one is vortex instability, which is responsible for the vortex disruption. Two criteria based on characteristics time scales are the constructed and validated in our experiment and other cases from the literature
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forterre, yoel. "instabilités dans les écoulements granulaires." Phd thesis, Université de Provence - Aix-Marseille I, 2002. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00010005.
Full textAbstract:
Bien qu'intervenant dans de nombreuses situations industrielles et géophysiques, les écoulements granulaires sont aujourd'hui encore mal compris. Dans cette thèse, nous étudions deux instabilités qui apparaissent lorsque l'on fait couler un milieu granulaire par gravité sur un plan incliné rugueux. Nous avons tout d'abord étudié une nouvelle instabilité observée dans le régime d'écoulement rapide et dilué, lorsque le plan est fortement incliné. Cette instabilité se manifeste par l'apparition spontanée de vortex longitudinaux au sein de l'écoulement. A partir de mesures expérimentales, nous proposons un mécanisme d'instabilité qui fait appel au concept de "température granulaire". Ce mécanisme est ensuite validé par une analyse de stabilité dans le cadre de la théorie cinétique des milieux granulaires. La deuxième instabilité que nous avons étudiée apparaît dans le régime d'écoulement dense. Dans certains cas, on observe la formation de vagues de grande longueur d'onde qui se propagent dans la direction de l'écoulement. Nous avons étudié expérimentalement la formation de ces ondes de surface en forçant l'instabilité, dans l'esprit des expériences sur les systèmes ouverts en mécanique des fluides. Les résultats sont ensuite confrontés à une approche moyennée dans l'épaisseur. Cette étude montre que les propriétés de l'instabilité "classique" en ondes de surface peuvent être profondément modifiées par la rhéologie des écoulements granulaires denses.
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Meunier, Patrice. "Etude expérimentale de deux tourbillons corotatifs." Phd thesis, Université de Provence - Aix-Marseille I, 2001. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011665.
Full textAbstract:
Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de deux tourbillons corotatifs parallèles, créés dans l'eau par le mouvement impulsionnel de deux plaques planes, et analysés au moyen de visualisations au colorant et de Visualisation par Images de Particules (PIV). Nous avons créé un algorithme de PIV optimisé pour les écoulements à forts gradients de vitesse, qui translate les fenêtres d'interrogation de manière symétrique puis les déforme en fonction des gradients de vitesse. Aux faibles nombres de Reynolds, les tourbillons restent bidimensionnels et laminaires et fusionnent en un unique vortex en trois étapes : (1) la croissance visqueuse des cœurs jusqu'à une taille critique égale à 24% de la distance de séparation, (2) la fusion convective, et (3) l'axisymétrisation du vortex final, dont le carré de la taille du cœur vaut deux fois le carré de la taille des vortex initiaux. Un modèle, basé sur le moment angulaire des filaments, prédit une déstabilisation du système de deux vortex et une chute de la distance de séparation, lorsque la taille du cœur dépasse une valeur critique. Aux nombres de Reynolds élevés, il apparaît une instabilité tridimensionnelle, liée à l'instabilité elliptique des cœurs des vortex, créant l'ondulation des cœurs des vortex à l'intérieur d'un tube de courant invariant. Le taux de croissance et la largeur de la bande de longueurs d'onde sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. La fusion apparaît pour des tailles de cœur plus faibles, et donnent lieu à un vortex final plus turbulent et plus gros qu'en l'absence de l'instabilité tridimensionnelle. Enfin, nous avons analysé l'évolution d'une tache de colorant dans un des tourbillons de la paire. Ce scalaire est soumis à de l'hyperdiffusion grâce à l'action couplée de l'étirement et de la diffusion. Un modèle simple prédit une décroissance du scalaire comme t-3/2, mais indique que la densité de probabilité du scalaire reste stationnaire, ce qui est en accord avec les résultats expérimentaux. La densité de probabilité du scalaire évolue peu dans le cas de la fusion laminaire, mais décroît fortement lors de la fusion turbulente.
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Brun, Christophe. "Étude expérimentale et numérique de l'interaction forte entre sillages d'obstacles cylindriques." Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015), 1998. http://www.theses.fr/1998GRE10049.
Full textAbstract:
Cette etude s'interesse aux phenomenes caracteristiques de la formation et de l'interaction des sillages turbulents en aval d'obstacles cylindriques en configuration complexe. Pour le bas regime sous-critique de nombre de reynolds nous effectuons une investigation de la zone de proche sillage de facon a la fois experimentale via des mesures de vitesse par anemometrie laser doppler et numerique via des simulations 2d avec raffinement du maillage en paroi. Dans un premier temps nous etudions le cas de l'interaction forte entre deux cylindres en parallele dont l'ecartement bord a bord est inferieur au diametre. L'effet de blocage se traduit par l'apparition d'un jet inter-tubes. Deux regimes sont identifies par rapport a une valeur critique re#c du nombre de reynolds. En deca de re#c le jet se plaque de facon stable du cote de l'un des cylindres provoquant une disymetrie du double sillage forme en aval. Des nombres de strouhal differents sont retrouves dans la zone arriere de chacun des tubes. Au-dela de re#c le jet adopte un mouvement de battement aleatoire de part et d'autres de l'axe median des tubes. Nous relions l'apparition de ce phenomene d'intermittence a grande echelle de l'ecoulement a la naissance d'instabilites 2d de kelvin-helmholtz au sein de la couche cisaillee decollee. Ces deux effets d'asymetrie et de battement de l'ecoulement (selon le regime) s'estompent au-dela de cinq diametres pour laisser place a un sillage unique qui tend vers une etat de turbulence quasiment developpee. Les phenomenes de melange a grande echelle et de transfert d'energie et dissipation a petite echelle sont favorises par cette configuration d'interaction forte. Enfin, nous etudions experimentalement le cas plus complexe de l'ecoulement au sein et en aval d'un faisceau de tubes en quinconce a des regimes de reynolds equivalents. Les proprietes de melange sont accentuees par rapport au cas geometriquement et hydrodynamiquement equivalent de l'interaction forte entre deux tubes.
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El, Anadouli Mohamed. "Étude des instabilités imparfaites de Couette-Taylor." Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 1994. http://www.theses.fr/1994INPL117N.
Full textAbstract:
Ce mémoire est consacré à l'étude des instabilités imparfaites de l'écoulement de Couette-Taylor en géométrie fine et à faible vitesse de rotation. Dans le premier chapitre, nous effectuons l'analyse de la stabilité linéaire pour différents rapports de rayons qui définit les paramètres critiques de l'écoulement. Pour tenir compte des effets de bords nous recourrons à l'analyse quasi-linéaire. Ces effets se traduisent par la présence du terme quadratique dans l'équation de ginzburg-landau. Ceci fait l'objet de notre deuxième chapitre. Le troisième chapitre est consacré à la description de la méthode des éléments finis ainsi qu'à la méthode de résolution de notre système (variante d'algorithme d'Uzawa). Dans le quatrième chapitre, nous retrouvons les résultats de la simulation pour quelques rapports d'aspect avec le cylindre extérieur tournant ou fixe. Nous retrouvons également une comparaison qualitative simulation-visualisation expérimentale. Enfin, le dernier chapitre est consacré à la comparaison entre les résultats de la simulation numérique et les résultats de la théorie quasi-linéaire. Nous finissons par une approche numérique de la solution de base en géométrie fine
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Moet, Henri. "Simulation numérique du comportement des tourbillons de sillage dans l'atmosphère." Toulouse, INPT, 2003. http://www.theses.fr/2003INPT007H.
Full textAbstract:
Le sillage d'un avion est composé de tourbillons intenses. La durée de vie de ces tourbillons dépend des conditions atmosphériques et peut être de l'ordre de plusieurs minutes. Ils peuvent constituer un danger considérable pour un avion pénétrant dans ce sillage et leur action peut se traduire par un fort mouvement de roulis ou descendant. Le but de ce travail est d'étudier les effets des conditions atmosphériques sur le comportement des tourbillons de sillage par la simulation numérique. Dans le champ proche étendu nous avons simulé le phénomène de la fusion instable due au développement de l'instabilité elliptique en étudiant la robustesse de ce phénomène sous l'effet de la turbulence ambiante. L'effet de la turbulence ambiante à également été étudié dans le champ lointain. Ceci a été réalisé en considérant différentes configurations de vortex et une étude paramétrique a identifié les paramètres pertinents qui gouvernent la dégénérescence du sillage due à la turbulence. Ces résultats ont été utilisés pour définir un modèle préliminaire de dégénérescence pour des tourbillons affectés par la turbulence. Une étude de la propagation d'onde dans des tourbillons représentatifs du sillage lointain a montré l'apparition de l'instabilité hélicoi͏̈dale et du phénomène de 'vortex bursting'. Pour atteindre ce but, des configurations simples et plus réalistes (correspondant au sillage d'un avion de transport) ont été considérées. D'autres simulations ont été faites pour étudier l'effet de la stratification stable sur les tourbillons de sillage dans le champ lointain [. . . ]
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Buzík, Jiří. "Analýza cyklické únavy trubkového svazku vlivem proudění pracovního média." Doctoral thesis, Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, 2018. http://www.nusl.cz/ntk/nusl-371777.
Full textAbstract:
The aim of the dissertation thesis is the control of the tube bundle on the cyclic fatigue caused by the flow past tube bundle. Fatigue due to flow is caused by flow-induced vibrations. Examined vibrations are caused by the mutual interaction of two phases (solid and liquid). The present work is focused mainly on the interaction of tube bundles with fluid. The current level of knowledge in this field allows to predict mainly static respectively quazi-static loading. These predictions are based on methods of comparing key vibration variables such as frequencies, amplitudes or speeds (see TEMA [1]). In this way, it is possible to determine quickly and relatively precisely the occurrence of a vibrational phenomenon, but it is not possible to quantitatively assess the effect of these vibrations on the damage of to the tube beam and to predict its lifespan, which would require the determination of the temperature field and the distribution of forces from the fluid on the beam. The aim of the work is to evaluate the-state-of-the-art, to perform a numerical simulation of the flow of fluids in the area of shell side under the inlet nozzle. Current methods of numerical analyses very well solve this problem, but at the expense of computing time, devices and expensive licences. The benefit of this work is the use of user-defined function (UDF) as a method for simulating interaction with fluid and structure in ANSYS Fluent software. This work places great emphasis on using the current state of knowledge for verifying and validation. Verifying and validation of results include, for example, experimentally measured Reynolds and Strouhal numbers, the drag coefficients and for example magnitude of pressure coefficient around the tube. At the same time, it uses the finite element method as a tool for the stress-strain calculation of a key part on tube such as a pipe-tube joint. Another benefit of this work is the extension of the graphical design of heat exchanger according to Poddar and Polley by vibration damages control according to the method described in TEMA [1]. In this section, the author points out the enormous influence of flow velocity on both the tube side and the shell side for design of the heat exchanger to ensure faultless operation. As an etalon of damage, the author chose a heat exchanger designated 104 from the Heat Exchanger Tube Vibration Data Bank [3]. With this heat exchanger, vibrational damage has been proven to be due to cutting of the tubes over the baffles. The last part outlines the possibilities and limits of further work.
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Selçuk, Savas Can. "Numerical study of helical vortices and their instabilities." Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066138/document.
Full textAbstract:
Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à l'étude numérique des systèmes tourbillonnaires hélicoïdaux qui sont émis dans le sillage des rotors (éoliennes, hélicoptères,...) et de leurs instabilités. Ici, ces écoulements sont localement modélisés par un ensemble de tourbillons à symétrie hélicoïdale. À l'aide d'un code de simulation numérique directe dédié, des solutions de base quasi-stationnaires sont obtenues pour différents systèmes tourbillonnaires. Une caractérisation précise et détaillée de ces solutions est ensuite effectuée : vitesse de rotation, taille et ellipticité du cœur, structure des champs de vitesse et de vorticité... À l'aide d'un algorithme d'Arnoldi couplé à une version linéarisée du code, on détermine les modes dominants d'instabilité ayant la même symétrie que l'écoulement de base, en fonction des paramètres du système: nombre de vortex, pas hélicoïdal, taille de cœur, nombre de Reynolds et présence d'un vortex de moyeu. En dessous d'un certain pas hélicoïdal critique, l'instabilité est dominée par un mode de déplacement global analogue au mode d’appariement d'une allé infinie de points vortex ou d'anneaux tourbillonnaires. En régime non linéaire, ce mode est à l'origine d'une dynamique complexe du système: dépassements, saute-mouton et fusion. On utilise un autre code linéarisé pour déterminer les modes instables qui brisent la symétrie hélicoïdale de l'état de base, caractérisés par une longueur suivant l'axe. À faible nombre d'onde, ces modes induisent localement des rapprochements entre portions de spires voisines. À grand nombre d'onde, on observe un autre type de mode qui déforme les cœurs tourbillonnaires via l'instabilité elliptiqueThe work presented in this manuscript is a contribution to the numerical study of helical vortex systems and their instabilities, as encountered in the near wake of rotors (wind turbines, helicopters,~...). In this work, such flows are locally modelled within the framework of helical symmetry. Using a dedicated DNS code, helical quasi-stationary basic state solutions are obtained for several configurations, and accurate tools for their characterisation are developed: angular velocity, core size and ellipticity, structure of the velocity and vorticity fields... An Arnoldi algorithm is then coupled to a linearised version of the code. The dominant instability modes with the same symmetry as the base flow are extracted as a function of the system parameters: number of vortices, helical pitch, core size, Reynolds number, presence of a central hub vortex. Under a critical helical pitch, the instability is dominated by a global displacement mode analogous to the pairing mode of an infinite array of point vortices or vortex rings. In the nonlinear regime, this mode gives rise to complex dynamics: overtaking events, leapfrogging and merging. Another linearised code is then used to extract modes characterised by a wavelength along the helix, which break the helical symmetry of the base flow. At low wavenumbers, these modes induce local displacements of the vortices and bring together portions of neighbouring coils. At large wavenumbers, another type of mode is found, which deforms the vortex cores through the elliptical instability mechanism
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Payen, Gérard. "Contribution à l'étude des régimes d'écoulement à faible nombre de Reynolds au travers d'expansions symétriques par simulations numériques instationnaires basées sur une méthode de Random Vortex hybride." Rouen, 1991. http://www.theses.fr/1991ROUES017.
Full textAbstract:
Un outil numérique destiné à la simulation instationnaire d'écoulements incompressibles visqueux partiellement confinés dans le cadre d'une approximation bi-dimensionnelle plane est présenté. Basé sur une méthode de Random Vortex hybride, il exploite l'équation de transport de la vorticité par une discrétisation adaptative sur des éléments lagrangiens à supports compacts. Des algorithmes destinés à améliorer la performance de calcul et la flexibilité sont également introduits. Une étude bibliographique raisonnée relative aux écoulements au travers d'expansions symétriques brusques est menée. Les paramètres déterminants sont dégagés. Différents régimes sont distingués : les transitions rencontrées à nombre de Reynolds croissant conduisent d'un écoulement recirculant symétrique stationnaire à des configurations asymétriques puis à l'apparition d'instabilités. Certaines justifications phénoménologiques sont proposées et les mécanismes mal cernés sont soulignés. La méthode numérique décrite est appliquée à la simulation de ces écoulements et les résultats obtenus comparés aux données expérimentales et numériques disponibles. Les prédictions effectuées sont en excellent accord dans le cas du régime symétrique stationnaire. A un nombre de Reynolds plus élevé, les calculs conduisent à des régimes asymétriques dont seule la nature est conforme aux résultats expérimentaux. Le déclenchement d'instabilités apparaît à une valeur de Reynolds plus faible qu'expérimentalement. Le rôle de la méthode numérique dans ces désaccords est suggéré, ainsi que d'éventuels palliatifs