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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2009.tde-02062009-152537
Document
Author
Full name
Marcos Noboru Arima
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2009
Supervisor
Committee
Pimenta, Marcos de Mattos (President)
Altemani, Carlos Alberto Carrasco
Azevedo, Luis Fernando Alzuguir
Krieger Filho, Guenther Carlos
Silvares, Otavio de Mattos
Title in Portuguese
Estudo teórico-experimental de jatos bi-dimensionais confinados.
Keywords in Portuguese
Escoamento monofásico
Mecânica dos fluidos
Turbulência (medição)
Velocidade do fluxo dos fluidos
Abstract in Portuguese
O principal objetivo desta tese é estudar os efeitos inerciais e de pressão do escoamento médio sobre o próprio escoamento médio de jatos bi-dimensionais confinados. Os escoamentos considerados no presente trabalho são turbulentos, isotérmicos, incompressíveis e compostos por fluidos simples. A introdução e a revisão bibliográfica são feitas por meio da apresentação: das motivações tecnológicas e fundamentais para a escolha do tema da presente tese; do cenário no qual a abordagem adotada está inserida; dos parâmetros adimensionais usualmente adotados na literatura para caracterizar os jatos bidimensionais confinados (parâmetros clássicos); e dos dados experimentais levantados na literatura na forma de correlações semi-empíricas, e de perfis de propriedades do escoamento. A presente tese desenvolve uma abordagem integral e adimensional para jatos confinados. As hipóteses adotadas nesta abordagem são aquelas relativas a escoamentos em camada fina cisalhante, e a escoamentos não dissipativos. A abordagem é baseada em balanços integrais de massa e quantidade de movimento. Os termos de quantidade de movimento são classificados como inerciais ou de pressão; e como fluxos, forças ou fontes. Esta classificação permite analisar os efeitos considerados pelos parâmetros adimensionais clássicos. Os parâmetros clássicos não satizfazem simultaneamente às seguintes condições: ser baseado em uma superfície de controle fechada; e ter os efeitos inerciais e de pressão separados em parâmetros distintos. Desta forma, são desenvolvidos dois parâmetros adimensionais novos. Estes parâmetros novos são usados na definição de variáveis adimensionais cuja finalidade é obter uma regra de escalonamento apropriada. A regra de escalonamento desenvolvida é validada por meio de sua aplicação a três bancos de dados de literatura. Esta aplicação mostra a influência dos efeitos inerciais e de pressão sobre o escoamento. A qualidade dos dados experimentais de literatura e próprios também é avaliada pela aplicação desta mesma regra de escalonamento. O túnel de vento construído para estudo de jatos confinados axi-simétricos é apresentado por meio: dos requisitos de projeto; dos critérios de projeto; e da descrição dos componentes. Este túnel possui seção de teste com 300mm de diâmetro e 1500mm de comprimento; contração com razão de área de 4 : 1 e lanças de ar com diâmetros de 10mm, 40mm, 75mm e 150mm. Os procedimentos experimentais adotados na caracterização do escoamento do túnel de vento axi-simétrico incluem: a técnica de determinação do tensor das tensões de Reynolds e do vetor velocidade média em função de medições de velocidade média e de tensão normal de Reynolds em 6 direções distintas; a validação desta técnica; e as correções de posicionamento e de direcionamento do intrumento de medição. O instrumento de medição utilizado foi um anemômetro a laser (LDV). As principais contribuições da presente tese são as seguintes: redesenvolvimento dos parâmetros adimensionais clássicos de jatos confinados por meio de uma metodologia e nomenclatura unificada; proposição de dois parâmetros adimensionais para jatos confinados, um para efeitos inerciais e outro para efeitos de pressão; incremento do banco de dados experimentais referentes a jatos confinados; construção de um túnel de vento axi-simétrico para estudo de jatos confinados; e descoberta da existência de similaridade em jatos confinados com gradiente de pressão elevado.
Title in English
Theoretical-experimental study on two-dimentional confined jets.
Keywords in English
Confined jet flows
Integral and dimensionless analysis
LDV
Wind tunnel
Abstract in English
The main objective of this thesis is to study the mean flow inertial and pressure effects on the mean flow itself in two-dimensional confined jets. The flows considered in the present work are turbulent, isothermal, incompressible and single-fluid. The introduction and the bibliographical review are done by the following presentations: technological and fundamental motivations for the choice of the thesis subject; the scene where the adopted approach is included; dimensionless parameters usually adopted in the literature for two-dimensional confined jets characterization (classic parameters); and experimental data found in literature as semi-empirical correlation, and as mean flow properties profiles. This thesis develops an integral and dimensionless approach for confined jets. The hypotheses adopted in such approach are the thin shear layer approximation, and the non-dissipative flow assumption. The approach is based on mass and momentum integral balances. The terms are classified as inertial or as pressure; and as flux, as force, or as source. Such classification allows the analysis of the effects considered by the dimensionless classic parameters. The classic parameters do not satisfy the following conditions simultaneously: to be based on a closed control surface; and to separate the inertial and pressure effects in distinct parameters. Due to this, two new dimensionless parameters are developed. The new dimensionless parameters are used in dimensionless variables definition whose purpose is to obtain a proper scaling rule. The developed scaling rule is validated applying it to three data banks from literature. This application shows the inertial and pressure effects on the flow. The quality of the literature and the own data bank is evaluated by this scaling rule application. The wind tunnel built for axi-symmetric confined jets studies is presented by: project requirements; project criteria; and components description. This tunnel has a test section with 300mm in diameter and 1500mm in length; contraction area rate of 4 : 1; and air guns with 10mm, 40mm, 75mm and 150mm in diameters. The procedures adopted in the axi-symmetric wind tunnel flow characterization include: the scheme to determine the Reynolds stress tensor and the mean velocity vector from mean velocity and normal Reynolds stress measurements in six distinct directions; this scheme validation; and the positioning and directioning probe corrections. The instrument used was a laser Doppler velocimeter. The main contributions of the present thesis are the following: redevelopment of the confined jets classic dimensionless parameters through an unified methodology and nomenclature; the proposition of two new confined jets dimensionless parameters, one for inertial effects and other for pressure effects. improvement of experimental data bank regarding confined jets; construction of an axi-symmetric wind tunnel for confined jet studies; and the discovery of the similarity existence in confined jets with high pressure gradient.
 
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tese_noboru.pdf (14.03 Mbytes)
Publishing Date
2009-07-03
 
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