Tesis:
Unsteady flow effects on droplets and spheres : breakup and unsteady flow topology
- Autor: LÓPEZ GAVILÁN, Pablo
- Título: Unsteady flow effects on droplets and spheres : breakup and unsteady flow topology
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: MECANICA DE FLUIDOS Y PROPULSIÓN AEROESPACIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80958/
- Director/a 1º: VELÁZQUEZ LÓPEZ, Ángel Gerardo
- Director/a 2º: SOR MENDI, Suthyvann
- Resumen: This thesis presents a set of experimental studies proposed to study the phenomena of droplet breakup and the unsteady flow topology and dynamics of a sphere. In particular, droplet breakup will be studied when exposed to the flow of an approaching airfoil in the environment of the stagnation line. From the point of view of the droplet, it is exposed to a continuously accelerated flow which, together with the deformation processes of the droplet, makes it an inherently non-stationary process and radically different from other flows traditionally studied. An experimental study was carried out in a rotating arm facility. Droplet diameters were of the order of 1 mm. The maximum velocity of the airfoils located at the end of the rotating arm was 91 m/s. Droplet deformation was computed using a phenomenological model developed previously by the authors. The dynamics of this deformation was coupled to an instability model based on the growth of Rayleigh-Taylor waves at the droplet surface. It was found that, within the experimental uncertainty, breakup occurs when the instability wavelength approaches the droplet hydraulic diameter assuming that it flattens and deforms as an oblate spheroid. This fact allowed for the generation of a theoretical closed-form droplet deformation and breakup model that predicts the onset of breakup with discrepancies of about +-10% when compared to the experimental results. Finally, as an application case, this closed-form model is used to simulate an actual situation in which the objective is to investigate whether a series of droplets that are approached by an airfoil either impact on its surface, or break prior to collision, or break without colliding, or pass through undamaged.
As a consequence of this non-stationary interaction in the phenomena of deformation and droplet breakup, the need arises to increase knowledge on the physics of the dynamics of particles subject to non-stationary flows. Therefore, an experimental study is proposed based on one of the simplest axilsymmetric shapes, the sphere, to study the flow establishment around it when it is impulsively accelerated up to an initial velocity and then decelerates freely in a fluid at rest. The diameter of the sphere was 0.04 m. Three different solid-to-fluid density ratios were considered: 0.78, 0.88, and 0.94. The submerged sphere was impulsively started upon being rammed by an actuator-mass system, being part of an innovative experimental setup defined for this purpose. Six initial velocities were considered: 0.91, 2.03, 2.54, 2.94, 3.29, and 3.78 m/s. The Reynolds number of the initial velocities based on the sphere diameter was 3.6x10^4, 8.1x10^4, 1.01x10^5, 1.17x10^5, 1.31x10^5 and 1.51x10^5 (subcritical). It was observed that both sphere dynamics and associated flow topology (identified via an optical system and a particle image velocimetry system, respectively) differed significantly from the case of an accelerating sphere. In the present case, a large vortex ring structure (with torus diameters of the order of the sphere's diameter) formed and being attached to the sphere surface. This vortex ring followed the sphere motion all the way down the falling trajectory. From the data reduction standpoint, it was found that a suitably defined dimensionless acceleration parameter allowed for collapsing the kinematics variables of the sphere trajectory, namely, position, velocity, and acceleration, into a single ordinary differential equation.
RESUMEN
Esta tesis presenta un conjunto de estudios experimentales propuestos para estudiar los fenómenos de ruptura de gotas y la topología y efectos del flujo no estacionario sobre una esfera. En particular, se estudiará la rotura de gotas cuando se exponen al flujo de un perfil aerodinámico que se aproxima en las proximidades de la línea de remanso. Desde el punto de vista de la gota, ésta se ve expuesta a un flujo en continua aceleración que, junto con los procesos de deformación de la gota, lo convierten en un proceso intrínsecamente no estacionario y radicalmente diferente de otros flujos tradicionalmente estudiados. Para ello, se realizó un estudio experimental en la instalación de brazo rotatorio del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA). Los diámetros de las gotas eran del orden de 1 mm. La velocidad máxima de las mismas en el extremo del brazo giratorio fue de 91 m/s. La deformación de las gotas se calculó utilizando un modelo fenomenológico desarrollado previamente por los autores. La dinámica de esta deformación se acopló a un modelo de inestabilidad basado en el crecimiento de inestabilidades de Rayleigh-Taylor en la superficie de las gotas. Se comprobó que, dentro de la incertidumbre experimental, la rotura se produce cuando la longitud de onda de inestabilidad se aproxima al diámetro hidráulico de la gota suponiendo que ésta se aplana y se deforma como un esferoide oblato. Este hecho permitió generar un modelo teórico cerrado que contempla tanto la deformación como la rotura de la gota y que predice su inicio con discrepancias de aproximadamente 10% cuando se compara con los resultados experimentales. Finalmente, como caso de aplicación, este modelo se utiliza para simular una situación real en la que el objetivo es investigar si una serie de gotas que se aproximan a un perfil aerodinámico impactan contra su superficie, o se rompen antes de colisionar, o se rompen sin colisionar, o la atraviesan sin sufrir daños.
Como consecuencia de esta interacción no estacionaria en los procesos de deformación y rotura de gotas, surge la necesidad de ampliar el conocimiento sobre la física implicada en la dinámica de partículas sometidas a flujos no estacionarios. Por ello, se propone un estudio experimental basado en una de las formas axilsimétricas más simples, la esfera, para estudiar el establecimiento del flujo a su alrededor cuando se acelera impulsivamente hasta una velocidad inicial y posteriormente decelera libremente en el seno de un fluido en reposo. El diámetro de la esfera es de $0.04$ $m$. Se consideraron tres relaciones de densidad sólido/fluido diferentes: 0,78, 0,88 y 0,94. La esfera sumergida se puso en marcha impulsivamente al ser embestida por un sistema actuador-masa que forma parte de una configuración experimental novedosa. Se consideraron seis velocidades iniciales: 0.91, 2.03, 2.54, 2.94, 3.29 y 3.78 m/s. El número de Reynolds de las velocidades iniciales en función del diámetro de la esfera fue de 3.6x10^4, 8.1x10^4, 1.01x10^5, 1.17x10^5, 1.31x10^5 and 1.51x10^5 (subcrítico). Se observó que tanto la dinámica de la esfera como la topología del flujo asociado (identificado mediante un sistema óptico y un sistema de velocimetría de imágenes de partículas TR-PIV, respectivamente) diferían significativamente del caso de una esfera acelerando. En el presente caso, se formó una gran estructura de anillo de vórtices ( con diámetros de toroide del orden del diámetro de la esfera) que se adhirió a la superficie de la misma. Este anillo de vórtices acompañó a la esfera en su movimiento durante toda la trayectoria descendente. Desde el punto de vista de la reducción de datos, se constató que un parámetro de aceleración adimensional adecuadamente definido permitía colapsar las variables cinemáticas de la trayectoria de la esfera, a saber, posición, velocidad y aceleración, en una única ecuación diferencial ordinaria.