The effects of the exit geometry of a vortex ring generator and initial conditions on evolution, formation, circulation, pinch-off, propagation and diffusive mass entrainment of vortex rings in air were studied experimentally and numerically. Two types of exit planes were chosen: an orifice with a wall and a cylindrical nozzle without a wall. Experiments and numerical simulations were performed over a wide range of exit-wedge angles (10° ≤ $\alpha$ ≤ 90°) of the cylindrical nozzle, initial Reynolds numbers (450 ≤ Re ≤ 4580) and length-to-diameter ratios (0.7 ≤ L/D ≤ 11) of the air jet. An experimental rig, provided with a novel type of vortex ring generator, was developed. Vortex rings were generated by pushing a solenoid-valve-controlled, pressurized-air jet through the circular opening of the orifice or nozzle. Particle image velocimetry technique was extensively used to explore the velocity and vorticity fields of the vortex rings. Hotwire anemometry was used to assist the measurement of exit-jet velocities. The exit geometry was found to significantly influence the entire course of propagation of the vortex ring. The orifice-generated vortex ring had superior characteristics to that produced by the nozzle under the same conditions. The vorticity generated along the wall in the orifice exit plane had a negligible effect on the circulation of the vortex ring within the specified range of Reynolds number. Compared to the nozzle-generated vortex ring, the orifice-generated ring showed reduced initial vorticity losses and less diffusive entrainment of ambient fluid. The vortex rings produced by the orifice attained more circulation, less entrainment of ambient fluid and hence rapidly propagated through longer distances in comparison to the nozzle-generated rings. For sharp edges ($\alpha$ ≤ 10°) of nozzle geometry, a secondary ring may emerge at high Reynolds numbers, which tended to distort the vortex ring if ingested into it. For blunt edges ($\alpha$ ≥45°), by contrast, stable vortex rings were produced. An exit-wedge angle of 45° was found to be optimal for rapid pinch-off, faster propagation and better stability of a nozzle-generated vortex ring. Entrainment fraction was found to be sensitive to the L/D ratio of the initial jet and decreases when the L/D ratio is increased. Circulation and the average velocity of a vortex ring were found to asymptotically reach a peak value before start decaying. An appropriate non-dimensionalizing scale was determined and the decay of the non-dimensionalized circulation of a cortex ring was found to obey a reciprocal time scale.
와고리 발생기의 출구형상과 공기 중에서 와고리의 발달, 형성, 회전, 핀치오프, 진행 및 확산 전파에 대한 초기조건의 영향에 대해 수치적, 실험적으로 연구를 행하였다. 출구형상은 벽이 있는 오리피스 및 벽이 없는 실린더 형태의 노즐 두 가지 타입에 대해 행해졌다. 실린더 노즐의 출구 웨지각(10° ≤ $\alpha$ ≤ 90°) 및 초기레이놀즈 수(450 ≤ Re ≤ 4580), 길이-지름 비율 (0.7 ≤ L/D ≤ 11)의 범위에 대해 실험적, 수치적 연구가 행해졌으며 새로운 타입의 와고리 발생기를 개발하였다. 와고리는 오리피스 또는 노즐의 원형으로 열린곳을 통해 압력이 가해진 공기 제트를 솔레노이드 조절 밸브로 밀어줄 때 생성된다. 속도장 및 소용돌이장에 대한 확인을 위해PIV 기술이 사용되었고 출구 제트 속도의 측정을 위해 핫와이어를 사용하였다. 출구형상은 와고리의 전파 진행에 중요한 영향을 미친다. 오리피스에서 생성된 와고리는 같은 조건에서 노즐에 의해 생성된 와고리보다 뛰어난 특성을 가진다. 오리피스 출구 벽을 따라 생성된 소용돌이도는 특정 레이놀즈수 범위에서는 와고리의 회전에 거의 영향을 끼치지 않는다. 노즐에서 생성된 와고리의 비교할때, 오리피스에서 생성된 와고리는 초기 소용돌이도 손실 및 주위 유체들에 대한 확산 전파를 줄여 주게 된다. 또한 오리피스에서 생성된 와고리는 더 많은 회전을 하게 되고, 주위 유체로의 전파는 덜 일어나게 되어 따라서 노즐에서 생성된 와고리와 비교하여 더 많은 거리를 빠르게 진행하게 된다. 노즐 형상의 에지가 날카로운 경우( $\alpha$ ≤ 10°) 높은 레이놀즈 수 에서 두번째 고리는 뒤틀리는 경향을 갖는다. 에지가 무딜 경우( $\alpha$ ≥45°) 반대로 안정적인 와고리가 생성된다. 45°의 출구 에지각에서는 노즐에 의해 생성된 와고리가 빠른 핀치오프, 빠른 진행 및 나은 안정성에 있어서 최적의 특성을 보여준다. 전파 비율은 초기 제트의 L/D 비율에 민감하여 L/D 비율이 커질수록 감소하게 된다. 와고리의 회전 및 평균 속도는 붕괴가 시작되기 전에 점차 최대값으로 올라 가게 된다. 회전의 적절한 무차원화 방법을 발견하였고 이 무차원화된 와고리의 회전의 붕괴는 시간에 반비례 한다는 것을 확인하였다.
