Hydrodynamics of flat plates in cross-flow near the free surface

Abstract

Aquesta tesi presenta els resultats d'un estudi realitzat per comprendre l'efecte de la superfície lliure sobre les forces generades per una placa plana que es mou en un fluid estacionari, de manera que la superfície de la placa és perpendicular a la direcció d’empenta. El treball es basa en un estudi paramètric que inclou la relació d'aspecte, el nombre de Reynolds i la profunditat d'immersió mesurada com la distància entre la superfície lliure i la vora superior de la placa. S'han utilitzat mesures de força i tècniques de visualització quantitativa de flux. S'ha demostrat que les forces d'arrossegament augmenten bruscament just sota de la superfície lliure, essent l'augment més destacat en les plaques de baixa relació d'aspecte. L'augment abrupte en el coeficient d'arrossegament es deu a l'existència del flux que apareix entre la placa i la superfície lliure i que resulta en la formació d'una zona de recirculació prop de la base de la placa. En general, les tendències són independents del número de Reynolds, excepte quan les relacions d'aspecte estan en el rang de 0,75 a 1,33, amb la placa a prop de la superfície lliure. Sukruth Satheesh A més, s'han investigat dues configuracions de plaques diferents. En primer lloc, plaques rígides amb porositat en diferents ubicacions i, en segon lloc, flexibilitat estructural. Ambdós conceptes han resultat en una reducció significativa del coeficient d'arrossegament, especialment a prop de la superfície lliure. S'ha demostrat que el mecanisme de reducció d'arrossegament en models porosos es deu a la interacció entre els dolls formats en els orificis, les capes de cisalla i el flux que apareix entre la placa i la superfície lliure. Amb flexibilitat estructural, la reconfiguració de la plaça implica la reducció de l'arrossegament.

Esta tesis presenta los resultados de un estudio realizado para comprender el efecto de la superficie libre sobre las fuerzas generadas por una placa plana que se mueve en el seno de un fluido estacionario, de manera que la superficie de la placa es perpendicular a la dirección de empuje. El trabajo se basa en un estudio paramétrico que incluye la relación de aspecto, el número de Reynolds y la profundidad de inmersión medida como la distancia entre la superficie libre y el borde superior de la placa. Se han usado medidas de fuerza y técnicas de visualización cuantitativa de flujo. Se ha demostrado que las fuerzas de arrastre aumentan bruscamente justo debajo de la superficie libre, siendo el aumento más prominente en las placas de baja relación de aspecto. El aumento abrupto en el coeficiente de arrastre se debe a la existencia de un flujo encauzado entre la placa y la superficie libre que resulta en la formación de una zona de recirculación cerca de la base de la placa. En general, las tendencias son independientes del número de Reynolds, excepto cuando las relaciones de aspecto están en el rango de 0.75 a 1.33, con la placa cerca de la superficie libre. Además, se han investigado dos configuraciones de placa diferentes. Primero, placas rígidas con porosidad en distintas ubicaciones y, en segundo lugar, flexibilidad estructural. Ambos conceptos han resultado en una reducción significativa del coeficiente de arrastre, especialmente cerca de la superficie libre. Se ha demostrado que el mecanismo de reducción de arrastre en modelos porosos se debe a la interacción entre los chorros formados en los orificios, las capas de cizalladura y el flujo que aparece entre la placa y la superficie libre. Con flexibilidad estructural, la reconfiguración de la placa implica la reducción del arrastre.

This thesis presents the results of a study conducted to understand the effect of free surface on forces generated by a flat plate being towed in a quiescent fluid, with the plate surface being normal to the towing direction. The work is based on a parametric study involving aspect ratio, Reynolds number and submergence depth, with the depth always being measured as the distance between free surface and the upper edge of the plate. Force and quantitative flow visualization techniques have been employed to understand the flow physics. It was found that the drag increases abruptly prior subsiding with increasing submergence depth, with this jump in drag being more prominent in low aspect ratio plates. The abrupt rise in the drag is due to the existence of a gap-flow at the free surface resulting in the formation of a recirculating flow in close proximity to the base region of plate. Overall, the trends are Reynolds number independent, except when the aspect ratios are in the range from 0.75 to 1.33, and the plate was near the free surface. Furthermore, two different plate configurations have been investigated. First, rigid plates with porosity at distinct locations and secondly structural flexibility. Both concepts have resulted in significant drag reduction, especially near the free surface. The mechanism of drag reduction for porous models has been shown to be due to the interaction between the jets formed at the holes, the shear layers and the gap-flow. With structural flexibility, reconfiguration leads to drag reduction.