Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Study of laminar - turbulent transition in von Karman swirling flow

Artur Gęśla

Abstract

The aim of the present study was to examine the oscillations in the velocity field over the rotating disc. The measurement of the velocity over the rotating disc was conducted using Constant Temperature Anemometry in order to detect cross flow instability phenomena. The measurements were conducted for a range of frequencies and heights above the disc. Basing on the time averaged Fourier analysis of the signal a part of the signal that exhibited strong cross flow instability structures was chosen for time dependent Fourier analysis. In order to extract physically meaningful oscillations from the signal and find their amplitude and frequency modulations the Nonlinear Mode Decomposition (NMD) method developed by (Iatsenko et al., 2015a) was used. Four nonlinear modes (NMs) were found in the signal. After thorough analysis it was stated that the forth nonlinear mode carried information regarding cross flow instability. It was found that the NM carrying information about cross flow instability exhibited strong frequency and amplitude modulation. Threshold Reynolds number for laminar-turbulent transition on a rotating disc was found basing on analysis of the shape factor H of the boundary layer and on infrared thermography measurement of the temperature of the surface of the disc. In both experiments the Reynolds number for transition was found to be approximately 510. The laminar-turbulent transition was found to be connected to a sudden drop of the shape factor in the regime of the Reynolds numbers corresponding to the transition and a change of the rate of heat exchange between the disc’s surface and the surrounding air. Through infrared thermography measurement the direct effect of the presence of spiral vortices in the laminar regime of the flow was observed as a regular pattern in the temperature distribution on the disc. Through analysis of the temperature distribution on the disc the threshold Reynolds number for the onset of first instability on the rotating disc was found to be approximately 380. In the scope of the thesis main ideas and equations of the flow instability were investigated. Moreover the methods of signal representation in time-frequency domain (e.g. Windowed Fourier Transform, Wavelet Transform ) and methods of the signal decomposition (e.g. Empirical Mode Decomposition, Nonlinear Mode Decomposition) were reviewed. The thesis presents the theoretical background of the flow over the rotating disc, apparatus prepared for the experimental study and results of the analysis.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Artur Gęśla (FPAE) Artur Gęśla,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Badanie przejścia laminarno turbulentnego w przepływie von Kármána
Supervisor
Tomasz Bobiński (FPAE/IAAM) Tomasz Bobiński,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)
Study subject / specialization
, Lotnictwo i Kosmonautyka (Aerospace Engineering)
Language
(en) English
Status
Finished
Defense Date
08-02-2019
Issue date (year)
2019
Pages
79
Internal identifier
MEL; PD-5006
Reviewers
Sławomir Kubacki (FPAE/IAAM) Sławomir Kubacki,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Tomasz Bobiński (FPAE/IAAM) Tomasz Bobiński,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
niestabilność przepływu, przepływ von Kármána, anemometria stałotemperaturowa, nonlinear mode decomposition
Keywords in English
cross flow instability, von Kármán swirling flow, constant temperature anemometry, nonlinear mode decomposition
Abstract in Polish
Celem przedstawionej pracy było zbadanie oscylacji pola prędkości w przepływie nad wirującym dyskiem. Pomiar prędkości w warstwie przyściennej został wykonany z użyciem anemometrii stałotemperaturowej w celu wykrycia periodycznych oscylacji prędkości będących następstwem występującej w przepływie niestabilności. Bazując na spektrum sygnału wybrany został sygnał, w którym ewidentne były struktury odpowiadające niestabilności przepływu w myśl cross flow instability. Sygnał sklasyfikowany jako zmierzony w reżimie niestabilności przepływu został przeanalizowany metodą Nonlinear Mode Decomposition (NMD) opracowaną przez by (Iatsenko et al., 2015a). Metoda NMD pozwala na ekstrakcję składowych sygnału odpowiadających różnym źródłom fizycznym i ich klasyfikację pod postacią Nonlinear Modes (NM). Cztery NM zostały zidentyfikowane w sygnale. Czwarty mod został przyporządkowany niestabilności przepływu. Po analizie modu związanego z cross flow instability ustalono, że jest on silnie modulowany częstotliwościowo i amplitudowo. Wartość progowa liczby Reynoldsa dla przejścia laminarno-turbulentnego na obracającym się dysku została ustalona na podstawie analizy współczynnika kształtu H warstwy przyściennej i pomiaru temperatury powierzchni dysku przy użyciu kamery termowizyjnej. W obu eksperymentach liczba Reynoldsa dla przejścia wynosiła około 510. Stwierdzono, że przejście laminarno-turbulentne jest połączone z nagłym spadkiem współczynnika kształtu w reżimie liczb Reynoldsa odpowiadającym przejściu i zmianie intensywności wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią dysku a otaczającym powietrzem. Na podstawie analizie rozkładu temperatury na dysku stwierdzono, że wartość progowa liczby Reynoldsa dla pojawienia się pierwszej niestabilności na obracającym się dysku wynosiła około 380. W ramach pracy przeanalizowano główne idee i równania niestabilności przepływu. Ponadto dokonano przeglądu sposobów reprezentacji sygnału w domenie czasowo-częstotliwościowej (np. Windowed Fourier Transform, Wavelet Transform) i metodach dekompozycji sygnału (np. Empirical Mode Decomposition, nonlinear Mode Decomposition). Praca przedstawia teoretyczne tło przepływu nad obracającym się dyskiem, przygotowany aparat do badań eksperymentalnych i wyniki analizy
File
  • File: 1
    Praca_inz_final-Low_Q.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 31415

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTd2792d5e58e14c66aac97704d316403a/
URN
urn:pw-repo:WUTd2792d5e58e14c66aac97704d316403a

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page