ผลของอัตราส่วนความเร็วประสิทธิผลต่ออัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตรและโครงสร้างของเจ็ตในกระแสลมขวาง

Abstract

งานวิจัยนี้ศึกษาผลของอัตราส่วนความเร็วประสิทธิผลต่อโครงสร้างและอัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตร (E) ของเจ็ตในกระแสลมขวาง ด้วย Stereoscopic Particle Image Velocimetry (SPIV) เพื่อให้สามารถระบุขอบเขตของเจ็ตและแยกบริเวณที่เป็นส่วนผสมของเจ็ตออกจากบริเวณที่เป็นกระแสลมขวางบริสุทธิ์ได้อย่างชัดเจน ณ ขณะใดๆ ซึ่งนำไปสู่การหาอัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตรได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ จึงใส่อนุภาคติดตามการไหลเฉพาะในเจ็ตเท่านั้นไม่ใส่ในกระแสลมขวาง โดยศึกษาที่อัตราส่วนความเร็วประสิทธิผล (r) เท่ากับ 4, 8 และ 12 เรย์โนลดส์นัมเบอร์ของกระแสลมขวางเท่ากับ 3,100 รูปร่างของความเร็วที่ปากทางออกของเจ็ตเป็นแบบ fully-developed turbulent pipe flow จากการศึกษาพบว่าใน rd scale และในช่วงบริเวณ near field เมื่อ r เพิ่มขึ้น โครงสร้างของปริมาณต่าง ๆ คือ ความน่าจะเป็นที่จะพบเจ็ต, อัตราเร็วเฉลี่ย, ความเร็วเฉลี่ยตามแนวแกน streamwise, ความเร็วเฉลี่ยตามแนวแกน traverse และ vorticity มีอัตราส่วนความสูงต่อความกว้างที่มากขึ้น อีกทั้งโครงสร้างของทุกปริมาณข้างต้นของกรณี r = 4 มีรูปร่างที่แตกต่างจากกรณี r = 8 และ 12 อย่างเห็นได้ชัด ในขณะที่กรณี r = 8 และ 12 มีโครงสร้างที่คล้ายกัน จึงชี้แนะว่าในช่วง near field กรณี r = 4 เจ็ตมีรูปแบบการไหลที่แตกต่างจากกรณี r = 8 และ 12 และชี้แนะว่าปรากฎการณ์ดังกล่าวเป็นผลมาจาก wall blocking เมื่อเจ็ตพัฒนาตัวไปที่บริเวณ far field ผลของ r ต่อโครงสร้างของทุกปริมาณข้างต้นลดลง สำหรับคุณลักษณะของเจ็ตใน rd scale พบว่าเมื่อ r เพิ่มขึ้น เส้นทางเดินของเจ็ตที่นิยามจากความเร็วเฉลี่ยตามแนวแกน streamwise และเส้นทางเดินของเจ็ตที่นิยามจาก vorticity ตามแนวแกน streamwise สูงขึ้น อีกทั้งเส้นทางเดินของเจ็ตที่นิยามจากอัตราเร็วเฉลี่ยตามแนวแกน streamwise จะมีอยู่สูงกว่าเส้นทางเดินของเจ็ตที่นิยามจาก vorticity ตามแนวแกน streamwise เสมอ ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อ r เพิ่มขึ้น circulation (Г) และอัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตร (E) เพิ่มขึ้น ผลของ r ต่อคุณลักษณะของเจ็ตใน rd scale นี้แสดงให้เห็นว่า r ยังคงมีผลต่อคุณลักษณะของเจ็ตใน rd scale ดังนั้นเพื่อให้สามารถรวมผลของ r ต่อคุณลักษณะของเจ็ตได้ดีขึ้น การศึกษานี้จึงหา scaling ที่เหมาะสมต่อคุณลักษณะของเจ็ตใหม่ จากการศึกษาพบว่าสามารถรวมผลของ r ให้ ทุกกรณีของ r collapse เป็นความสัมพันธ์เดียวได้ เมื่อ scale เส้นทางเดินของเจ็ตด้วย r1.3d, circulation ด้วย rucfd และอัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตรด้วย r0.7 เมื่อพล็อตเทียบกับ x/rd นอกจากนี้ด้วยเทคนิคใส่อนุภาคติดตามการไหลเฉพาะเจ็ตเท่านั้นไม่ใส่ในกระแสลมขวางทำให้สามารถวิเคราะห์หาความน่าจะเป็นที่พบส่วนผสมของเจ็ตที่จุดใดๆ (ϕij) ได้ โดยพบว่า บริเวณที่มีความน่าจะเป็นสะสมที่จะพบส่วนผสมของเจ็ตต่ำ (ϕij < 0.1) ถึงแม้จะมีพื้นที่ถึงประมาณครึ่งหนึ่งของเจ็ต (50-60% ของพื้นที่เจ็ตทั้งหมด) แต่บริเวณดังกล่าวนี้ให้อัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตรเพียงเล็กน้อยเท่านั้น (2-3% ของอัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตรทั้งหมดบนหน้าตัดเจ็ต) ในขณะที่บริเวณที่มีความน่าจะเป็นสะสมที่จะพบเจ็ตสูง (ϕij > 0.9) ซึ่งมีพื้นที่เพียงเล็กน้อย (10-25%) กลับให้อัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตรมากกว่าครึ่ง (40-70%) ยิ่งไปกว่านั้นพบว่าผลของ r ต่อความสัมพันธ์ของ jet fractional area ratio (Aϕ/Aj) และ jet fractional entrainment ratio (Eϕ/Ej) กับความน่าจะเป็นสะสมที่จะพบเจ็ต ϕ ลดลงเมื่อเจ็ตพัฒนาตัวไปตามแนว downstream สุดท้าย ผลการทดลองชี้แนะถึงหนึ่งในกลไกการเหนี่ยวนำการผสมของเจ็ตในกระแสลมขวางว่าเป็นผลมาจากการเหนี่ยวนำของ CVP ที่ทำให้เกิดและคงอยู่ของ vertical channel ของความเร็วตามแนวแกน traverse ที่สูงที่อยู่ระหว่างคู่วอร์เท็กซ์ของ CVP โดย CVP จะเหนี่ยวนำเอากระแสลมขวางจากบริเวณด้านล่างของเจ็ตให้ไหลขึ้นผ่าน vertical channel นี้เข้าไปผสมกับตัวเจ็ต