การเหนี่ยวนำการผสมและกลไกการเหนี่ยวนำการผสมในระนาบตัดขวางการไหลของเจ็ตในกระแสลมขวาง

Abstract

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ในการศึกษาโครงสร้างของเจ็ต ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างของเจ็ตและกระแสลมขวาง การเหนี่ยวนำกระแสลมขวางโดยเจ็ต และโดยเฉพาะกลไกการเหนี่ยวนำการผสมของเจ็ตในกระแสลมขวาง (JICF) โดยเพื่อที่จะประเมินวัดอัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตร (E) โดยตรง จึงใช้วิธี Stereoscopic Particle Image Velocimetry (SPIV) ควบคู่กับ (A) เทคนิคการใส่อนุภาคติดตามการไหลเฉพาะในเจ็ตเท่านั้น ไม่ใส่ในกระแสลมขวาง และเพื่อที่จะศึกษากลไกการการเหนี่ยวนำการผสม จึงใช้วิธี SPIV ควบคู่กับ (A) เทคนิคการใส่อนุภาคติดตามการไหลเฉพาะในเจ็ตเท่านั้น ไม่ใส่ในกระแสลมขวาง และ (B) เทคนิคการใส่อนุภาคติดตามการไหลทั้งในเจ็ตและกระแสลมขวาง ดังนี้ งานวิจัยนี้จึงสามารถหาความเร็วของกระแสลมขวางบริสุทธิ์ได้จาก (C) = (B)-(A) การทดลองทำที่อัตราส่วนความเร็วประสิทธิผล (r) เท่ากับ 4, 8, และ 12 ค่าเรย์โนลส์นัมเบอร์ของกระแสลมขวางคงที่เท่ากับ 3,100 ผลการศึกษาพบว่า เมื่อพิจารณาบน rd scale ที่อัตราส่วนความเร็วประสิทธิผล r เดียวกัน เมื่อเจ็ตพัฒนาไปตามแนว downstream อัตราส่วนการเหนี่ยวนำการผสมเชิงปริมาตร (E) จะเพิ่มขึ้น และจะสามารถประมาณได้ด้วยสมการเลขยกกำลัง และเมื่อพิจารณาที่ x/rd เดียวกัน เมื่อ r เพิ่มขึ้น E จะเพิ่มขึ้น แสดงว่า JICF ที่มีค่า r สูง จะมีค่า E สูงกว่า JICF ที่มีค่า r ต่ำ อย่างไรก็ตาม ผลการศึกษาบน d scale พบว่าที่ x/d เดียวกัน ในขณะที่บริเวณ far field เมื่อ r เพิ่มขึ้น E จะเพิ่มขึ้น แต่ที่บริเวณ near field แม้ว่าค่า r จะสูงขึ้น แต่ค่า E จะประมาณคงที่ ชี้แนะว่า d scale จะสามารถ collapse E ของ JICF ได้ดีกว่า rd scale ที่บริเวณ near field สำหรับการศึกษากลไกการเหนี่ยวการผสมในระนาบตัดขวางพบว่า โครงสร้าง CVP ของเจ็ต (Jet-CVP) จะเป็นโครงสร้างสำคัญในการเหนี่ยวนำการผสมอย่างน้อยในระนาบตัดขวางการไหลและในช่วงที่ทำการศึกษา กล่าวคือ 1) Jet-CVP จะเหนี่ยวนำกระแสลมขวางบริสุทธิ์ที่อยู่บริเวณด้านข้างทั้งสองข้างของเจ็ตให้มีการเคลื่อนที่แบบหมุนวนในทิศทางพุ่งลง-พุ่งเข้า-พุ่งขึ้น (downward-inward-and-upturn) เข้าสู่ทางเข้าของช่องการไหลลู่เข้า-ออกในแนวดิ่ง (converging-diverging vertical channel of high upward flow, VC) ที่ขอบด้านใต้ของเจ็ต จากนั้น 2) กระแสลมขวางดังกล่าวจะไหลผ่านช่องการไหลในแนวดิ่งที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นและขับเคลื่อนให้คงอยู่ได้ด้วย CVP ของเจ็ต นอกจากนั้นยังพบว่า บริเวณที่มีการเหนี่ยวนำกระแสลมขวางบริสุทธิ์เข้ามาผสมสูง คือบริเวณส่วนลู่เข้าของช่องการไหลในแนวดิ่งนี้ โดยการเหนี่ยวนำกระแสลมขวางบริสุทธ์เข้ามาผสมจะประมาณได้ว่าเสร็จสิ้นแล้วหรือเกือบเสร็จสิ้นแล้วในส่วนนี้ ทำให้เมื่อของไหลไหลถึงตำแหน่งคอคอด (throat) ของช่องการไหลลู่เข้า-ออกในแนวดิ่งนี้ ของไหลจะกลายเป็นส่วนผสมของเจ็ต (jet-fluid mixture) เกือบหมด จากนั้นส่วนผสมของเจ็ตจะไหลขึ้นผ่านส่วนลู่ออก เข้าสู่บริเวณกลางเจ็ตที่เป็นโครงสร้างรูปอ่าวที่มีความเร็วเจ็ตเฉลี่ยไร้มิติตามแนวแกน streamwise ต่ำ จากนั้น 3) โครงสร้างรูปไตของเจ็ตที่มีความเร็วเจ็ตเฉลี่ยไร้มิติตามแนวแกน streamwise สูง จะเหนี่ยวนำส่วนผสมของเจ็ตในบริเวณอ่าวที่อยู่ด้านใต้ ให้เข้าผสมกับโครงสร้างรูปไตของเจ็ตเอง คล้ายการเหนี่ยวนำการผสมของเจ็ตอิสระ (Free jet) นอกจากนี้ ผลการศึกษายังพบว่า ถึงแม้ว่าเจ็ตในกระแสลมขวางจะมี r ต่างกัน แต่จะมีกลไกการเหนี่ยวนำการผสมในระนาบตัดขวางการไหลคล้ายคลึงกัน อย่างน้อยในช่วงพารามิเตอร์ที่ทำการศึกษา เพื่อที่จะสอบทวนกลไกการเหนี่ยวนำการผสมในระนาบตัดขวางที่พบ งานวิจัยนี้จึงคำนวณอัตราการไหลของกระแสลมขวางบริสุทธิ์ที่ไหลเข้าสู่เจ็ตผ่านพื้นผิวความน่าจะเป็นที่จะพบเจ็ตคงที่ ซึ่งอัตราการไหลของกระแสลมขวางบริสุทธิ์นี้จะเป็นปริมาณที่แสดงถึงการเหนี่ยวนำกระแสลมขวางบริสุทธ์เข้าสู่เจ็ต พบว่า ผลการคำนวณสอดคล้องในเชิงคุณลักษณะกับการลดลงของการเพิ่มขึ้นของ E ที่ได้จากการวัดโดยตรง และกับผลของ r ต่อ E ท้ายสุด เพื่อที่จะค้นหากลไกการเหนี่ยวนำการผสมอื่น งานวิจัยนี้จึงศึกษากลไกการเหนี่ยวนำการผสมในระนาบสมมาตรด้วย ผลการศึกษาพบว่า ในมุมมองจากระนาบสมมาตรและของการไหลเฉลี่ย การเหนี่ยวนำการผสมสามารถอธิบายได้ดังนี้ 1) ทางด้านหน้าที่ปะทะลม (กระแสลมขวาง) ของเจ็ต (windward) การเหนี่ยวนำเอากระแสลมขวางบริสุทธิ์เข้ามาผสมเกิดจากโครงสร้าง spanwise rollers ด้านปะทะลมของเจ็ต ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างรูปไตเมื่อมองจากระนาบตัดขวาง นอกจากนั้น ในมุมมองของการไหลเฉลี่ย ยังพบว่า ความเร็วของกระแสลมขวางตามแกน streamwise เท่านั้น ไม่ใช่ตามแนว Transverse ที่ก่อให้เกิดการเหนี่ยวนำการผสมในบริเวณนี้ 2) ทางด้านหลังลมของเจ็ต (leeward) พบการเหนี่ยวนำเอากระแสลมขวางบริสุทธ์เข้ามาผสมโดยโครงสร้าง CVP ของเจ็ต ตามด้วย การเหนี่ยวนำเอาส่วนผสมของเจ็ตเข้ามาผสมโดยโครงสร้างรูปไต (โดยเฉพาะเจาะจงคือ ส่วนของโครงสร้างรูปไตที่เป็นโครงสร้าง spanwise rollers ด้านหลังลมของเจ็ต) สอดคล้องกับผลการศึกษาในระนาบตัดขวางการไหล นอกจากนั้น ในมุมมองของการไหลเฉลี่ย ยังพบว่า ความเร็วของกระแสลมขวางตามแกน transverse เท่านั้น ไม่ใช่ตามแนว streamwise ที่ก่อให้เกิดการเหนี่ยวนำการผสมโดยโครงสร้าง CVP ของเจ็ต