Experimental and numerical investigation of jet mixing [Elektronische Ressource] = Experimentelle und numerische Untersuchungen eines Strahlpumpen-Modells / vorgelegt von Iqbal Husain Thaker
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Experimental and Numerical Investigationof Jet Mixing.Experimentelle und numerischeUntersuchungen einesStrahlpumpen-Modells.Von der Fakulta¨t fu¨r Maschinenwesen derRheinisch-Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachenzur Erlangung des akademischen Grades einesDoktors der Ingenieurwissenschaftengenehmigte Dissertationvorgelegt vonIqbal Husain Thakeraus KuwaitBerichter: Universita¨tsprofessor Dr.-Ing. Herbert OlivierUniversita¨tsprofessor Dr.-Ing. W. Schro¨derTag der mundlichen Prufung: 9. Januar 2004¨ ¨Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfu¨gbarPrefaceThe present thesis is the result of my work as a research assistant at the Shock WaveLaboratory of the University of Technology Aachen.I am deeply grateful first of all to my guide, the late Univ. Prof. Dr.-Ing. Alfred E.Beylich for his support, guidance and motivation for this project. He always provided mewith lots of encouragement and freedom that is so important towards a work of this kind.I am especially grateful to the discussions we had not only on the problem at hand butalso pertaining to real life and its mysteries and wonders.I am also grateful to Univ. Prof. Dr.-Ing. Herbert Olivier for his excellent cooperationand understanding of my work with the passing of Prof. Beylich and helping me in everyway possible to bring it to a successful conclusion. My thanks also to Prof. Dr.-Ing. W.

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Publié le 01 janvier 2004
Nombre de lectures 72
Langue English
Poids de l'ouvrage 247 Mo

Extrait

Experimental and Numerical Investigation
of Jet Mixing.
Experimentelle und numerische
Untersuchungen eines
Strahlpumpen-Modells.
Von der Fakulta¨t fu¨r Maschinenwesen der
Rheinisch-Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Iqbal Husain Thaker
aus Kuwait
Berichter: Universita¨tsprofessor Dr.-Ing. Herbert Olivier
Universita¨tsprofessor Dr.-Ing. W. Schro¨der
Tag der mundlichen Prufung: 9. Januar 2004¨ ¨
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfu¨gbarPreface
The present thesis is the result of my work as a research assistant at the Shock Wave
Laboratory of the University of Technology Aachen.
I am deeply grateful first of all to my guide, the late Univ. Prof. Dr.-Ing. Alfred E.
Beylich for his support, guidance and motivation for this project. He always provided me
with lots of encouragement and freedom that is so important towards a work of this kind.
I am especially grateful to the discussions we had not only on the problem at hand but
also pertaining to real life and its mysteries and wonders.
I am also grateful to Univ. Prof. Dr.-Ing. Herbert Olivier for his excellent cooperation
and understanding of my work with the passing of Prof. Beylich and helping me in every
way possible to bring it to a successful conclusion. My thanks also to Prof. Dr.-Ing. W.
Schro¨der for his interest in my work and his ready acceptance to act as co-guide.
I am also thankful to all my colleagues and co-workers for helping me out in various ways
duringmystayandworkatthelaboratory. Thediscussionsandfruitfulexplanationsthat
I had and shared with them were very important for bringing this thesis to the state it is
in now. I would also like to thank Anshuman Awasthi, Thomas Reichel and my seniors
Marc Havermann and Juergen Graesel as also the workshop staff under the leadership of
Markus Eichler for providing me all the help that they could possibly provide.
And most of all I would like to thank my family, especially my parents InayatAli and
Maleka Thaker who have been always there for me at all times with their unwavering
support throughout. My siblings Tasneem and Husain and last but least by no means,
my wife Sofiya, have played a very large part in bringing this work to fruition.
Aachen, October 2003
Iqbal Husain Thaker
iiiivKurzfassung
¨Uberschallmischung oder, in anderen Worten, die Durchmischung von zwei Stro¨mungen
unterschiedlicher Geschwindigkeit, ist in der Vergangenheit vielfach untersucht worden,
insbesondere die Mischung einer sehr schnellen mit einer langsamen Stromung. Die¨
verschiedenen Verfahren, die entwickelt wurden, um eine optimale Durchmischung der
Stro¨mungen zu erreichen, hatten immer den Nachteil hoher Druckverluste, die mit
anderen Verlusten einhergehen. Es ist das Ziel fortgesetzter Untersuchungen, die diesen
¨Phanomenen zugrundeliegende Physik zu verstehen. Die Uberschallmischung in einem¨
Kanal ist mit komplizierten Ph¨anomenen behaftet, wie z.B. Scherschichtbildung,
Scherschicht/Grenzschicht- bzw. Stoß/Scherschicht-Wechselwirkung usw., die die
UntersuchungeinessolchenMischungsvorgangszueinersehrkomplexenAufgabemachen.
ZieldervorliegendenArbeitist,dasVerstandnisderEffektezuvertiefen,diedieMischung¨
¨einer Uberschall- mit einer Unterschallstro¨mung in einem Kanal betreffen, und letztlich
Wege zu finden, um den Mischungsprozeß zu verbessern. Dies wird durch
Techniken erreicht, die die Stromungen zur Mischung auf kurzestmoglicher Strecke mit¨ ¨ ¨
kleinstmo¨glichem Druckverlust zwingen. Jedes aktive Verfahren wu¨rde den
Druckverlust dadurch versta¨rken, dass es die Str¨omung beeinflusst. Es muss daher ein
Kompromiß zwischen der Verbesserung des Mischungsvorgangs und dem maximal noch
annehmbaren Druckverlust gefunden werden. Hierzu werden ein Keil und eine
Keil/Hohlraum-Kombination untersucht, die ihrerseits in aktiver/passiver Weise zur
Erho¨hung der Komplexita¨t des zu untersuchenden Problems beitragen. Die Studie wird
sowohl experimentell durchgefuhrt als auch numerisch unter Anwendung verschiedener¨
Verfahren,undeinVergleichderzweiMethodengibteinenEinblickindieAbhangigkeiten,¨
die fu¨r einen solchen Mischungsprozeß charakteristisch sind.
Die Verbesserung des Mischungsvorgangs zwischen den zwei Stro¨mungen mit
¨akzeptablem Druckruckgewinn in der Uberschallstromung ist das wichtigste Resultat¨ ¨
dieser Arbeit. Es vertieft unser Verstandnis der komplizierten Phanomene, die bei¨ ¨
derartigen Mischungsprozessen stattfinden.
vviTable of Contents
Preface iii
Kurzfassung v
Table of Contents vii
List of Figures xi
List of Tables xvii
Nomenclature xix
1 Introduction 1
1.1 Theory of Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Supersonic Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Supersonic Shear Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Mixing Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Experimental Setup 11
2.1 Low Density Wind Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Supersonic Mixing Test Bench . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Measurement Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Pressure Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
viiTable of Contents viii
2.3.2 Schlieren Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.3 Measurement Collection and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Numerical Scheme 21
3.1 Basic Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 Time Step Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2 Discretization of the Convective terms . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.3 Discretization of the Viscous terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Turbulence Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 The Two-Equation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.2 Modifications to the Two-Equation Model . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 The Time Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.1 Boundary Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 Results: Experimental Investigation 41
4.1 Estimation of Flow Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1.1 Mass Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1.2 Critical Back Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
◦4.2 10 Wedge-only Combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.1 25 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.2 35 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.3 45 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
◦4.3 20 Wedge-only Combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.1 25 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.2 35 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Table of Contents ix
4.3.3 45 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4 Cavity Flow in Supersonic Regime. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
◦4.5 10 Wedge-Cavity Combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.1 25 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.2 35 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.3 45 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
◦4.6 20 Wedge-Cavity Combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.6.1 25 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.6.2 35 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6.3 45 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5 Results: Numerical Simulation 71
◦5.1 10 Wedge-only Combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.1 25 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.2 45 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
◦5.2 20 Wedge-only Combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.1 25 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.2 45 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
◦5.3 10 Wedge-Cavity Combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.1 25 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.2 35 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.3 45 mm from the nozzle exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
◦5.4 20 Wedge-Cavity Combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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