Entrainment characteristics of swirling free jets were investigated with a flow visualization technique and the direct measurement of the velocity of entrained surrounding air. As a result of the flow visualization experiments, it was clearly shown that the entrainment rate increases with the swirl degree. Synchronization of the hot-wire anemometry and the schlieren photography showed that the precessing vortex core(PVC) which often occurs in strongly swirling jets induces corresponding large scale periodic eddy motion on the flow boundary at the near-exit region, consequently leading to significant enhancement in entrainment rate.
A new method for measuring the entrainment of swirling jets was developed, and turned out to be reasonably accurate as demonstrated by the fact that the present results agree well with previous ones for the non-swirling jet. In the weakly swirling jet(S<0.6), the entrainment rate is independent of Reynolds number and varies more or less nonlinearly at the near-exit region, whereas in the strongly swirling jet(S>0.6), it increases with Reynolds number because of the corresponding increase in frequency of the PVC. From comparison of the entrainment rates of two typical swirling jets with and without the PVC, the PVC was identified as having a very significant effect on the entrainment characteristics of the swirling jet.
For the isothermal swirling free jets with and without the PVC motion, the instantaneous velocity was measured using a laser Doppler velocimeter. Several kinds of analyses have been carried out using the instantaneous velocity signals; time-mean and r.m.s values of velocity fluctuations, spectral analysis, and probability density function. In case of the strongly swirling jet in which the precessing vortex core exists, r.m.s velocity fluctuations measured display a servere nonisotropy and very high at the near-exit region, whereas at downstream region they are nearly isotropic and very similar to those in a weakly swirling jet without the PVC. By spectral analysis, PVC turned out to have the directional tendency. Such the directional tendency of PVC was identified to bring about the high levels of nonisotropy in the velocity fluctuation of strongly swirling jet, particularly at the near-exit region for strongly swirling jet. The contributions to r.m.s velocity fluctuation near the nozzle exit can be divided into two parts, periodic one attributed by the PVC motion and random one considered as the true turbulence. By the digital filtering method, PVC effects of PVC on the r.m.s. velocity fluctuations were quantitatively analyzed. As a result, r.m.s velocity fluctuation of flowfield with the PVC effect separated out has isotropic trend similar to the weakly swirling case.
Finally, through a brief discussion to the existing numerical models applied to swirling flows so far, problems were investigated at predicting the strongly swirling flow with large scale periodic motion. The feasibility of standard k-$\epsilon$ model for the turbulence closure of high swirling flow was discussed through the experimental analysis of the turbulent characteristics at the near-exit region. Through the simple numerical analysis of two swirling jets with and without PVC, effects of PVC on numerical results have been investigated.
본 연구는 강선회 유동에서 종종 발생하여 노즐 출구 부근의 유동장을 비정상, 주기적으로 만드는 세차운동을 하는 와동핵 (Precessing Vortex Core, 이하 PVC) 이 외부유체 유입과 속도변동 특성에 미치는 영향을 밝힐 목적으로 수행되었으며 그 내용을 요약하면 다음과 같다.
선회가 있는 자유분류에서의 외부유체유입특성을 유동의 가시화와 유동장내로 유입되는 외부주위 유체의 속도를 직접 측정하여 조사하였다. 가시화 실험의 결과로서 외부유체유입량은 선회도가 증가함에 따라 증가함을 알 수 있었다. 또한 열선풍속계와 시릴렌방법을 동조시킨 방법을 이용하여 PVC가 노즐출구 영역의 유동경계면에서 같은 주파수로 발생하는 큰 주기적 eddy 운동을 야기시켜 외부유체유입량의 증가에 큰 기여를 한다는 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 선회분류에서의 외부유체유입량을 직접 측정하는 새로운 방법이 시도되었으며, 이 방법을 선회가 없는 자유분출류에 적용하여 종전의 다른 방법으로 측정한 결과와 비교하였으며 그 타당성을 입증하였다. 선회도가 0.6보다 작은 약선회류에서는 외부유체유 입률은 레이놀즈수에 거의 무관하고 노즐영역에서 다소 비선형적인 반면, 선회도가 0.6보다 큰 강선회류에서는 레이놀즈수가 증가함에 따라 PVC의 발생 주파수가 증가하여 이로 인해 외부유체유입률이 증가됨을 알 수 있었다. 동일한 입구조건을 갖되 PVC의 존재 유무가 다른 두 강선회류의 외부유체유입률을 측정한 결과로부터 PVC가 선회분류의 외부유체유입특성에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
레이저 도플러 유속계(LDV)를 이용하여 PVC가 있는 강선회류와 없는 약선회류에 대하여 노즐 근처에서 순간속도를 측정하여 변동속도의 시간평균값, RMS값, 스펙트럼분석및 확률밀도함수를 구하여 변동속도의 특성을 조사하였다. PVC가 있는 강선회류의 RMS속도변동값은 노즐부근에서 매우 크고 심한 비등방성을 보인 반면 후류영역에서는 약선회류와 비슷한 등방성을 보였다. 스펙트럼분석을 통하여 PVC가 심한 방향성을 가지고 있음을 알 수 있었고 그러한 방향성이 강선회류의 노즐부근의 속도변동을 비등방화시키는 주된 원인임을 밝혔다. PVC로 인한 주기적 성분과 순수 난류변동성분으로 나눌 수 있으며 디지털 제거법을 이용하여 이 두가지 성분을 분리하여 PVC가 속도변동에 미치는 영향을 정량적으롤 분석하였다. 이 결과에 의하면 순수 난류성분은 약선회류에서와 같이 등방적임을 알 수 있었다. 실험적으로 밝혀진 현상을 토대로 하여 지금까지 선회류 수치계산에 적용된 일반적인 수치모델을 PVC가 있는 강선회유동에 적용할 때 발생되는 문제점을 논하고 표준 k-\epsilon난류모델을 사용한 간단한 수치계산을 수행하여 실험결과와 비교하여 PVC가 계산결과에 미치는 영향을 정량적으로 조사하였다.
