Control of flow structure inside semi-cylindrical trench

З метою пошуку способів керування когерентними вихровими структурами в примежових шарах в аеродинамічній трубі відкритого типу проведено експериментальне дослідження течії усередині заглиблення на плоскій обтічній поверхні з використанням термоанемометра та порошкового методу візуалізації. Дослідження виконано при обтіканні поперечного напівциліндричного заглиблення (з відношенням діаметра до довжини 0.23) при відсутності та наявності керувальних дій від встановлення різноманітних козирків на передній за потоком та кормовій кромках заглиблення. Досліди проведено при значенні числа Рейнольдса по довжині пластини (від її початку до центра заглиблення) 1.23·105. Показано, що в залежності від розташування козирків можна суттєво впливати на вихровий рух усередині заглиблення. При виборі певних конфігурацій козирків досягаються граничні випадки: або повна консервація порошку усередині заглиблення, або, за необхідністю, повне вимивання порошку із заглиблення. Таким чином, виявлено механізми керування структурою течії в заглибленні, що відкриває перспективу управління процесами тепломасопереносу на обтічних поверхнях технічних пристроїв.The purpose of research is search and testing of new means of coherent vortical structures control in boundary layers, what can be used for control of heat and mass transfer processes. Experimental study of current inside semi-cylindrical trench on flat surface was carried out in the wind-channel of the opened type using thermoanemometer and powder-like method of visualization. Investigation was realized in semi-cylindrical cavity which was disposed across to undisturbed stream for the flow Reynolds number according to length of plate (from its beginning to the trench midpoint) 1.23·105. Ratio of cavity diameter to its length was 0.23. The coherent vortical structures inside of trench were discovered and investigated for cases of absence and existence of control actions by means of setting along the trench length of various screens on leading edge of cavity regarding to the incident flow and also on back edge of cavity. It is shown that depending from different location of screens it is possible to influence substantially on a vortex motion in cavity, and choice of certain configuration of controlling screens gives the possibility to obtain or the complete preservation of monodispersible powder in cavity, either, if is necessary, complete breaking out of powder from cavity. Thus applied control means allow to comprehend and to employ the mechanism of current structure control and accordingly heat and mass transfer processes on exposed surfaces of aircraft, cosmic, marine, power technique.С целью поиска способов управления когерентными вихревыми структурами в пограничных слоях в аэродинамической трубе открытого типа проведено экспериментальное исследование течения в полости углубления на плоской обтекаемой поверхности с использованием термоанемометра и порошкового метода визуализации. Исследование выполнено при обтекании поперечного полуцилиндрического углубления (с отношением диаметра к длине 0.23) при отсутствии и наличии управляющих воздействий от установки различных козырьков на передней по потоку и кормовой кромках углубления. Опыты проведены при значении числа Рейнольдса по длине пластины (от её начала до центра углубления) 1.23·105. Показано, что в зависимости от расположения козырьков можно существенно влиять на вихревое движение в углублении. При выборе определённых конфигураций козырьков достигаются предельные случаи: либо полная консервация порошка в полости углубления, либо, при необходимости, полное вымывание порошка из углубления. Таким образом, выявлены механизмы управления структурой течения в углублении, что открывает перспективу управления процессами тепломассообмена на обтекаемых поверхностях технических устройств

Influence of semicylindrical cavity on integral characteristics of wall boundary layer

Наведено експериментальні дослідження з вивчення характеристик примежового шару над плоскою пластиною з напівциліндричною канавкою, яка обтікається поперечним потоком. Встановлено, що формування вихрового руху усередині заглиблення суттєво впливає на профілі поздовжньої швидкості у примежовому шарі, на товщину витіснення, товщину втрати імпульсу та формпараметр. Обрана методика дослідження робить достатньо інформативними дані, що отримані використанням однониткового датчика термоанемометра. Виявлений характер змін інтегральних характеристик примежового шару перед заглибленням, над ним та за ним відображає вплив дисипативних та інерційних ефектів на структуру течії як уверх проти потоку, так і за ним, а також дозволяє визначити зони розташування когерентних вихрових структур в порожнині канавки, оцінити умови та, частково, природу їх виникнення.Process control of mass and heat transfer in liquid and gas flows by means of cavities at the streamlined surfaces is one of the most promising ways to save energy in industrial, transport and power units and machines. The cause of this experimental study setting was deficit of information about coherent vortex structures (CVS) formation and emission from the grooves in the wake flow. To obtain this information in this work we investigate the profiles of the defects of the longitudinal velocity, displacement thickness, momentum thickness and shape factor in the boundary layer of air flow in front, above and behind the surface semi-cylindrical indentation on a flat plate. Analysis of these data shows that they reflect the influence of dissipative and inertial effects on the structure of the flow and allow us to determine the location of the CVS zones in the cavity of the groove and to better understand the conditions and nature of their beginning. Quantitative and qualitative changes of shape factor along the longitudinal coordinate as a function of flow velocity are significantly differ from traditional notions about weak dependence of this characteristic from Reynolds number, that is peculiar to flow over the plates and wing profiles without indentations. The proposed organization and implementation of experiments allow to receive sufficiently effective data by using per single hot-wire sensor of thermoanemometer. Pictures of the formation and evolution of the CVS expend complementary to the boundary conditions database for numerical calculations of heat transfer and aerodynamic drag in the flow with small Mach numbers over surface indentations. Results of investigation may be useful in designing of surfaces for aircrafts, ships and ground transports, as well as efficient compact heat exchangers.Приведены экспериментальные исследования изучения характеристик пограничного слоя над плоской пластиной с полуцилиндрической канавкой, обтекаемой поперечным потоком. Установлено, что формирование вихревого движения внутри углубления существенно влияет на профили дефектов продольной скорости в пограничном слое, на толщину вытеснения, толщину потери импульса и формпараметр. Выбранная методика исследования делает достаточно информативными данные, полученные с помощью применения однониточного датчика термоанемометра. Обнаруженный характер изменения интегральных характеристик пограничного слоя перед углублением, над ним и за ним отражает влияние диссипативных и инерционных эффектов на структуру течения как вверх против потока, так и вниз по потоку, а также позволяет определить зоны расположения когерентных вихревых структур в полости канавки, оценить условия и, частично, природу их возникновения

Vorticity formation inside and near cross-streamlined semi-cylindrical trench on flat surface

Розглянуті особливості формування поля завихреності усередині та поблизу поперечно обтічної напівциліндричної траншеї на гідравлічно гладкій пласкій поверхні. Наведено результати експериментальних досліджень усереднених і пульсаційних складових поперечної завихреності, які отримано для різних режимів течії у аеродинамічній трубі. Дослідження проводилися із застосуванням дротяного термоанемометра. Знайдено, що найбільші рівні осередненої завихреності спостерігаються поблизу обтічних поверхонь і в кутових областях траншеї – там, де відбувається відрив примежового шару та взаємодія вихрових структур шару змішування з квазистійким великомасштабним вихором і, особливо, поблизу кормової стінки.The article are devoted to elucidation of current macro- and microstructure inside of semi-cylindrical trench and near its in boundary layer on flat plate by means of investigation of vorticity distributions. Vorticity defines rotational components and physics of any liquid and gas motion, but in turbulent flows on working surfaces with geometric large-scale irregularities by indentations type and in currents with coherent vortical structures the vorticity takes the most important part in processes of mass, momentum and energy transfer. For better understanding of mechanism of indicated phenomenon this paper offers some new scientific results on experimental research of vorticity and its fluctuations fields in the region of the cross-streamlined semi-cylindrical trench on a flat surface for different flow regimes according to Reynolds numbers range (by trench diameter) Red = 1,48∙10³ ÷ 2,68∙10⁴. The experimental investigation was carried out on open-circuit wind tunnell equipped by constant temperature anemometer with hot-wire probes, laser instrumentation, vibration and acoustic analyzer. The measurements of local time-averaged velocities and velocity fluctuations discovered that the most levels of mean vorticity take place near by the streamlined surfaces and in the angular areas of trench where boundary layer is separated and vortex structures of the shear blending layer are interacted with back wall of the trench. Zones of increased voticity fluctuation levels are disposed mainly between maximum mean vorticity regions and in area formed by interaction of coherent vortical structures of shear blending layer with quasi-stable large-scale eddy generated owing to impact interaction of blending layer with trench back wall. Results of investigation may be used for efficiency estimations of transfer processes on streamlined elements of heat exchangers, engines, ships, aircrafts etc.Рассмотрены особенности формирования поля завихренности внутри и вблизи поперечно обтекаемой полуцилиндрической траншеи на гидравлически гладкой плоской поверхности. Представлены результаты экспериментальных исследований осредненных и пульсационных составляющих поперечной завихренности, полученные для различных режимов течения в аэродинамической трубе. Исследования проводились с применением проволочного термоанемометра. Обнаружено, что наибольшие уровни осредненной завихренности наблюдаются вблизи обтекаемых поверхностей и в угловых областях траншеи – там, где происходит отрыв пограничного слоя и взаимодействие вихревых структур слоя смешения с кормовой стенкой траншеи. Максимальные пульсации завихренности наблюдаются в области взаимодействия вихревых структур слоя смешения с квазиустойчивым крупномасштабным вихрем и особенно вблизи кормовой стенки

Pressure fluctuations on the scour surface before prismatic pier

The results of experimental research of the wall-pressure fluctuation field acting on the scour surface upstream of the prismatic pier model are presented. Experiments were carried out in the hydraulic flume with an open water surface and sandy bed. The spatial and temporal characteristics of the field of pseudosound the wall-pressure fluctuation were determined on the equilibrium scour surface upstream of the prismatic pier model, as well as the sources of their generation. Two quasistable large-scale horseshoe vortex formations occurred inside the scour hole in front of the bluff body. The first of them were generated in the separation of the boundary layer with the front edge of the scour hole and it formed the upper slope of the scour. A second smaller horseshoe formation were formed by the interaction of the shear layer beyond the scour hole and the down flow along the front surface of the prismatic model and it formed the lower slope of the scour. The highest intensity and level of spectral components of the wall-pressure fluctuation occurred inside the scour hole upstream of the prismatic pier model

Вихрова динаміка сполучених течій

Group constructions of bluff bodies are widely used in bridge construction practice. The junction flows of such structures are characterized by considerable complexity, nonstationarity and instability. In the vicinity of bluff bodies, systems of horseshoe vortex structures, shear layers, separated regions, jet flows, wake vortices and vortex Karman’s streets are formed. The study of the features of the generation and evolution of vortex and jet flows, the mechanisms of interaction of these flows with streamlined surfaces requires considerable effort during numerical and physical modeling. The purpose of the work is to determine the features of vortex and jet flow in the region of junction of three-row pile grillage with a rigid flat surface. Experimental studies were carried out in laboratory conditions in a hydrodynamic channel, where the three-row group of cylinders was installed on the hydraulically smooth rigid surface. Visual investigations and measurements of the velocity field were carried out inside and around the three-row grillage. The features of the formation and evolution of vortex and jet flows inside and near the cylindrical group were established. Integral and spectral characteristics of the velocity fluctuation field were obtained. Pages of the article in the issue: 25 - 28 Language of the article: UkrainianГрупові конструкції погано обтічних тіл широко використовуються у мостобудівній практиці. Сполучені течії таких конструкцій характеризуються значною складністю, нестаціонарністю та нестійкістю. В околі погано обтічних тіл формуються системи підковоподібних вихрових структур, зсувні шари, відривні області, струменеві течії, слідні вихори та вихрові доріжки Кармана. Мета роботи – визначення особливостей вихрової та струменевої течії в області сполучення трирядного пального ростверку з жорсткою пласкою поверхнею. Проведені експериментальні дослідження в лабораторних умовах за допомогою візуалізації та вимірювання полів швидкості сполученої течії. Визначено механізм генерації та еволюції вихрових і струменевих течій. Отримані інтегральні та спектральні характеристики поля швидкості в околі передньої групи циліндрів трирядного ростверку

Feature of the vortex and the jet flows around and inside the three-row pile group

In this article the results of experimental research of kinematics and the dynamics of horseshoe vortex structures, wake vortices and lateral jet flows, formed around and inside the pile group of three-row grillage, set on a flat rigid surface and sand soil, are presented. Visualization of flow is conducted using water soluble coatings and contrast substances, introduced into the stream. The fields of velocity, pressure and shear stresses around and inside the pile construction were investigated using the miniature sensors of the velocity, dynamic pressure and pressure fluctuations. The place of formation and features of development of large-scale horseshoe vortex structures and wake vortices, and the hydrodynamic characteristics of the vortex and jet flow were determined. The space-time correlation and spectral characteristics of the velocity and pressure fluctuations were measured. The scale of the coherent vortex structures, their frequencies of rotations and oscillations, convective velocities and direction of transfer were determined. The three-dimensional spectrograms and correlograms of vortex and the jet flow about and inside the three-row pile grillage were obtained

Effect of Fluid Viscosity on Noise of Bileaflet Prosthetic Heart Valve

Background. Numerical simulation and experimental research have been used as powerful tools to understand and predict the behavior and mechanics of the operation of natural heart valves and their prostheses in natural and patho­logical conditions. Such studies help to evaluate the effectiveness of the valves, their design and the results of surgical procedures, to diagnose healthy and impaired function of the heart valves. There is an actual problem in creating more reliable methods and tools for the operation diagnostics of mechanical heart valves. Objective. The aim of the research is to investigate the effect of fluid viscosity on the hydroacoustic characteristics of jets that flow from a semi-closed and open mechanical bileaflet heart valve. To study the possibility of using hydro­acoustic measuring instruments as diagnostic equipment for determining the working conditions of the bileaflet pro­sthe­tic heart valve. Methods. The experimental research was carried out by means of hydroacoustic measurements of the hydrodynamic noise in the near wake of the side and central jets of the glycerin solution and the pure water flow downstream of the prosthetic bileaflet heart valve. Results. The effect of fluid viscosity on the hydroacoustic characteristics of the jets that flow from a semi-closed and open mechanical bileaflet heart valve has been experimentally determined. Integral and spectral characteristics of the hydrodynamic noise of jets of the glycerin solution and the pure water flow downstream of the bileaflet mitral heart valve for different fluid rate were detected. Conclusions. In the stream conditions of pure water, the integral characteristics of the pressure field are lower than in stream conditions of the aqueous glycerin solution. As the glycerin concentration in the solution increases, increase average pressures and especially RMS pressure fluctuations. The spectral levels of the hydrodynamic noise in the near wake of the side jet of the glycerin solution are lower than for water flow in the frequency ranges from 1 to 7-8 Hz and from 100 to 1000 Hz for fluid rate 5 l/min. For higher fluid rates, the spectral components of the hydrodynamic noise in the near wake of the side jet of the glycerin solution of the semi-closed mitral valve are higher than that for the pure water. The greatest difference (1.5–1.8 times) in the spectral levels is observed in the frequency range from 10 to 100 Hz for the fluid rate 15 l/min

Effect of Fluid Viscosity on Noise of Bileaflet Prosthetic Heart Valve

n/

Гідродинамічні характеристики вихрового руху усередині напівсферичної лунки

У роботі представлені результати експериментальних досліджень особливостей формування вихрових структур усередині напівсферичної лунки на гідравлічно гладкій плоскій поверхні, поля швидкості та тиску, які вони генерують. Експерименти проводилися у гідродинамічному лотку за допомогою візуалізації течії та вимірювання поля пульсацій швидкості, динамічного і пристінного тиску за допомогою термоанемометрів та мініатюрних п'єзокерамічних датчиків тиску. Візуалізація контрастними барвниками та водорозчинними покриттями показала, що усередині лунки генеруються квазістійкі великомасштабні вихрові структури і дрібномасштабні вихори, які викидаються назовні з лунки. Особливості вихрової течії усередині лунки обумовлюють появу дискретних підйомів у частотних та хвильових спектрах швидкості і тиску на частотах низькочастотних коливань вихрової течії, на частотах обертання і викиду великомасштабної вихрової структури та на частотах автоколивань вихрових структур зсувного шару

Поля швидкостей вихрової течії усередині поперечно обтічної напівциліндричної канавки

З метою розвитку методів  пасивного керування примежовими шарами представлені результати      експериментальних досліджень в аеродинамічній трубі таких інтегральних кінематичних характеристик вихрового руху, як усереднені та пульсаційні швидкості усередині поперечно обтічної напівциліндричної канавки та в її ближньому сліді на гідравлічно гладкій пласкій поверхні. Наведені результати візуалізації течії усередині канавки і її околі для перехідного режиму течії в примежовому шарі на пластині, показані особливості генерації великомасштабних вихрових структур усередині канавки та викиду їх назовні з канавки. Термоанемометричні дослідження дозволили отримати поля швидкостей та функції щільності розподілу ймовірності пульсацій поздовжньої швидкості, їх коефіцієнти асиметрії та ексцесу у серединному перерізі канавки. По профілям поздовжньої швидкості побудовано лінії рівних усереднених і пульсаційних складових швидкості усередині канавки. Показано області генерації зворотної течії усередині канавки, поле швидкості у зсувному шарі і області його взаємодії з кормовою стінкою канавки. Встановлено, що в примежовому шарі над заглибленням закон щільності розподілу ймовірності пульсацій поздовжньої швидкості близький до нормального, а в заглибленні – до максвеллівського.