ผลของเจ็ตควบคุมตามแนวดิ่งด้านท้ายลมต่อโครงสร้างและกลไกการเหนี่ยวนำการผสมในระนาบตัดขวางการไหลของเจ็ตในกระแสลมขวาง

Abstract

งานวิจัยนี้ศึกษาผลของเจ็ตควบคุมตามแนวดิ่งด้านท้ายลม (LVCJ หรือ CJ) ต่อโครงสร้างและกลไกการเหนี่ยวนำการผสมในระนาบตัดขวางของเจ็ตในกระแสลมขวาง โดยการใช้ Stereoscopic Particle Image Velocimetry (SPIV) ควบคู่กับเทคนิคการใส่อนุภาคติดตามการไหล 2 ลักษณะ โดยทำการทดลองที่อัตราส่วนความเร็วประสิทธิผล (r) เท่ากับ 4 ในกรณีฉีดเจ็ตควบคุม (cJICF) จะทำการฉีด CJ ที่ระนาบตัดขวาง xcj/rd = 0.25 ที่อัตราส่วนอัตราการไหลเชิงมวลของเจ็ตควบคุมต่อเจ็ตหลัก (rm) เท่ากับ 13% ผลการศึกษาพบว่าการฉีด CJ จะสามารถเพิ่มอัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตรได้ถึง 1.86 เท่าของกรณีไม่ได้ฉีดเจ็ตควบคุม (JICF) ในส่วนของโครงสร้างและกลไกการเหนี่ยวนำการผสมในระนาบตัดขวางกรณี cJICF สามารถที่จะแบ่งออกได้เป็น 2 ช่วงคือ 1) ช่วง upstream (x/rd=0.25) ซึ่งเป็นตำแหน่งที่ฉีดเจ็ตควบคุมและ 2) ช่วง downstream (x/rd ≥ 0.5) I) โครงสร้างของส่วนผสมของเจ็ตในระนาบตัดขวาง: ช่วง upstream (x/rd=0.25) ซึ่งเป็นตำแหน่งที่ฉีดเจ็ตควบคุมพบ 1) ร่องของความน่าจะเป็นในการพบส่วนผสมของเจ็ต (ϕj) ต่ำ ซึ่งเป็นผลจากการไม่ใส่อนุภาคติดตามการไหลในเจ็ตควบคุม โดยร่องนี้จะวางตัวในแนวดิ่งที่กึ่งกลางด้านล่างของเจ็ต ทำให้การกระจายตัวของ ϕj มีลักษณะคล้ายฟันที่มีรากฟัน 2 ข้าง, 2) โครงสร้างรูปไต (kidney-shaped structure, K-S) ที่ยกตัวสูงขึ้นเนื่องจากผลของเจ็ตควบคุม โดยกลาง K-S เหนือคอฟันจะมีบริเวณที่มี ϕj สูง 3) โครงสร้าง counter-rotating vortex pair (CVP) ของเจ็ตหลักที่ยืดตัวออกในแนวดิ่ง ในขณะที่ โครงสร้างของส่วนผสมของเจ็ตในระนาบตัดขวาง: ช่วง downstream (x/rd ≥ 0.5) พบ 1) CVP ของเจ็ตหลักและ CVP ของเจ็ตควบคุม, 2) ช่องการไหลในแนวดิ่ง (Vertical Channel, VC) ที่กึ่งกลางของเจ็ตซึ่งยาวต่อเนื่องตั้งแต่ด้านล่างของ CVP ของเจ็ตควบคุมจนถึงด้านบนของ CVP ของเจ็ตหลัก, 3) K-S ซึ่งวางตัวอยู่ด้านบนของ CVP ของเจ็ตหลัก ในส่วนของ II) กลไกการเหนี่ยวนำการผสมในระนาบตัดขวาง: สำหรับกรณี JICF พบว่าผลการทดลองที่ได้สอดคล้องกับ Sornphrom and Bunyajitradulya (2016) สำหรับกรณี cJICF กลไกการเหนี่ยวนำการผสมในระนาบตัดขวางที่ upstream (x/rd=0.25) ซึ่งเป็นตำแหน่งที่ฉีดเจ็ตควบคุมสามารถสรุปได้ 3 ขั้นตอนดังนี้: 1) กระแสลมขวางบริสุทธิ์บริเวณรอบข้างจะถูก CVP ของเจ็ตหลักเหนี่ยวนำให้เคลื่อนที่ในลักษณะหมุนวน โดยพุ่งลงจากด้านบนของเจ็ตไปที่บริเวณด้านล่างของเจ็ต จากนั้นกระแสลมขวางบริสุทธิ์จะถูกเหนี่ยวนำต่อโดยเจ็ตควบคุม ทำให้กลับตัวพุ่งเข้าหาเจ็ตควบคุมมาที่ขอบด้านล่างของเจ็ต 2) จากนั้นกระแสลมขวางบริสุทธิ์ที่ขอบด้านล่างของเจ็ตจะถูกเหนี่ยวนำต่อโดยเจ็ตควบคุมให้เคลื่อนที่พุ่งเข้าผ่านบริเวณที่มีอัตราการเหนี่ยวนำการเหนี่ยวนำการผสมสูงที่บริเวณ 2 ข้างของเจ็ต และถูกเจ็ตควบคุมเหนี่ยวนำเข้าไปผสมทำให้ของไหลกลับตัวพุ่งขึ้นในทิศทางเดียวกับเจ็ตควบคุม โดยเมื่อของไหลผ่านบริเวณคอฟันไปแล้ว ของไหลได้กลายเป็นส่วนผสมของเจ็ตเป็นส่วนใหญ่แล้ว (ϕj ≈ 0.75) โดยมีบริเวณที่มีอัตราการเหนี่ยวนำการผสมสูงอีกบริเวณที่ด้านบนของร่องความน่าจะเป็นในการพบส่วนผสมของเจ็ตต่ำ 3) จากนั้นส่วนผสมของเจ็ตจะถูกเหนี่ยวนำเข้าไปผสมโดย K-S ในลักษณะคล้ายเจ็ตอิสระ จนกลายเป็นส่วนผสมของเจ็ตเกือบหมด (ϕj ≈ 0.95) ในส่วนกลไกการเหนี่ยวนำการผสมในระนาบตัดขวางที่บริเวณ downstream (x/rd ≥ 0.5) สามารถสรุปได้ 3 ขั้นตอนดังนี้: 1) กระแสลมขวางบริสุทธิ์ด้านข้างบริเวณที่ไกลออกไปจาก CVP ของเจ็ตหลักจะถูก CVP ของเจ็ตหลักเหนี่ยวนำให้เคลื่อนที่พุ่งลงในแนวดิ่งจากด้านบนของเจ็ตลงมาที่ด้านล่างเจ็ตใกล้กับพื้น แล้วเกิดการเลี้ยวเบนพุ่งเข้ามาที่ขอบของเจ็ตในช่วงตั้งแต่เหวระหว่าง peak ของ ϕj สูง peak บนและ peak ล่าง (ซึ่งเป็นจุดอานม้า (saddle point)) ลงมาจนถึงด้านใต้ของเจ็ต โดยที่ช่วงดังกล่าวพบว่าเป็นบริเวณผนังข้างของ VC ครึ่งล่าง ซึ่งเป็นบริเวณที่มีอัตราการเหนี่ยวนำการผสมสูง ในขณะที่กระแสลมขวางบริสุทธิ์บริเวณรอบข้างที่ใกล้กับ CVP ของเจ็ตหลักจะได้รับอิทธิพลของ CVP ของเจ็ตหลักเป็นหลัก จึงถูกเหนี่ยวนำให้เกิดการเคลื่อนที่ในลักษณะหมุนวนพุ่งลงมาที่ขอบเจ็ตด้านล่างของ CVP ของเจ็ตหลัก ในช่วงตั้งแต่เหวระหว่าง peak ของ ϕj สูง peak บนและ peak ล่างขึ้นไปจนถึงกึ่งกลาง CVP ของเจ็ตหลัก โดยที่ช่วงดังกล่าวพบว่าเป็นบริเวณผนังข้างของ VC ครึ่งบน ซึ่งเป็นบริเวณที่มีอัตราการเหนี่ยวนำการผสมสูงเช่นกัน 2) CVP ของเจ็ตหลักและ CVP ของเจ็ตควบคุมจะเหนี่ยวนำกระแสลมขวางบริสุทธิ์ที่บริเวณขอบด้านข้างของเจ็ตให้เคลื่อนที่พุ่งเข้าผ่านผนังข้างทั้ง 2 ข้างของ VC ซึ่งเป็นบริเวณที่มีอัตราการเหนี่ยวนำการผสมสูง โดยเมื่อของไหลเคลื่อนที่ผ่านผนังข้างของ VC แล้ว ของไหลได้กลายเป็นส่วนผสมของเจ็ตเป็นส่วนใหญ่แล้ว (ϕj ≈ 0.75) จากนั้นของไหลจะถูกเหนี่ยวนำต่อให้เคลื่อนที่พุ่งขึ้นในแนวดิ่งผ่าน VC โดยเมื่อของไหลผ่านบริเวณกึ่งกลาง CVP ของเจ็ตหลัก ของไหลจะได้กลายเป็นส่วนผสมของเจ็ตโดยสมบูรณ์แล้ว (ϕj ≈ 0.99) 3) จากนั้นส่วนผสมของเจ็ตจะถูก K-S เหนี่ยวนำเข้าไปผสมในลักษณะคล้ายกับเจ็ตอิสระ อนึ่งการที่อัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตรกรณี cJICF มากกว่ากรณี JICF สามารถอธิบายได้จากการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างส่วนผสมของเจ็ตกับกระแสลมขวางบริสุทธิ์รอบข้าง ซึ่งสำหรับกรณี cJICF พื้นที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างส่วนผสมของเจ็ตกับกระแสลมขวางบริสุทธิ์รอบข้าง จะเกิดที่ผนังทั้ง 2 ข้างของ VC ในขณะที่กรณี JICF จะเกิดที่บริเวณปากทางเข้าและช่วงลู่เข้าของ VC ที่ด้านใต้เจ็ตใกล้กับพื้น