Research on fluidic oscillators under incompressible and compressible flow conditions

Abstract

One of the main advantages of fluidic oscillators is that they do not have moving parts, which brings high reliability whenever being used in real applications. To use these devices in real applications, it is necessary to evaluate their performance, since each application requires a particular injected fluid momentum and frequency. In this PhD., the performance of a given fluidic oscillator is evaluated at different Reynolds numbers via a 3D-computational fluid dynamics (CFD) analysis under incompressible and compressible flow conditions. In the first stage, the net momentum applied to the incoming jet is compared with the dynamic maximum stagnation pressure in the mixing chamber, to the dynamic output mass flow, to the dynamic feedback channels mass flow, to the pressure acting to both feedback channels outlets, and to the mixing chamber inlet jet oscillation angle. A perfect correlation between these parameters is obtained, therefore indicating the oscillation is triggered by the pressure momentum term applied to the jet at the feedback channels outlets. The stagnation pressure fluctuations appearing at the mixing chamber inclined walls are responsible for the pressure momentum term acting at the feedback channels outlets, thus it is proved that the oscillations are pressure-driven. In the second stage, several performance parameters were numerically evaluated as a function of different internal modifications via using 3D-CFD simulations. The evaluation is based on studying the output mass flow frequency and amplitude whenever several internal geometry parameters are modified. The geometry modifications considered were the mixing chamber inlet and outlet widths, and the mixing chamber inlet and outlet wall inclination angles. The concept behind this is, to evaluate how much the fluidic oscillator internal dimensions affect the device's main characteristics, and to analyze which parts of the oscillator produce a higher impact on the fluidic oscillator output characteristics. For the different internal modifications, evaluated, special care is taken in studying the forces required to flip the jet. The entire study is performed for three different Reynolds numbers, 8711, 16034 and 32068. Among the conclusions reached it is to be highlighted that, for a given Reynolds number, modifying the internal shape affects the oscillation frequencies and amplitudes. Any oscillator internal modification generates a much relevant effect as Reynolds number increases. Under all conditions studied, it was observed that the fluidic oscillator is pressure-driven under incompressible flow conditions as discussed in the first and second stages. In the third stage, the feedback channel effect on the oscillator output mass flow frequency and amplitude under compressible flow conditions were evaluated. In order to bring light to this point, a set of three dimensional Direct Numerical Simulations under compressible flow conditions, are introduced in the present stage, four different feedback channel lengths and two inlet fluid velocities are considered. From the results obtained, it was observed that as the inlet velocity increases, the fluidic oscillator output mass flow frequency and amplitude increase. An increase of the feedback channel length decreases the output mass flow oscillating frequency. At high feedback channel lengths, the form of the main oscillation tends to disappear, the jet inside the mixing chamber simply actuates at high frequencies, for these cases, the mass flow and pressure signals are very scattered due to the pressure waves appearing on mixing chamber converging surfaces and both feedback channels at the same time. Once the FC length exceeds a certain threshold, the oscillation stops. Under compressible conditions, the oscillations are pressure-driven as previously stated for the incompressible cases. The forces due to the pressure are much stronger than the mass flow flowing along the feedback channels.

El principal avantatge dels oscil·ladors fluídics es que no te parts mòbils, i això fa que sigui més fiable en aplicacions reals. Per tal d'aplicar aquests oscil·ladors en un cas concret, es necessari avaluar el seu comportament, doncs cada cas concret necessita una freqüència i quantitat de moviment donades. En el present doctorat s'ha analitzat mitjançant 3D-CFD, una configuració de oscil·lador fluídic per diferents números de Reynolds, diferents geometries internes i considerant el fluid com incompressible i compressible. Inicialment, la quantitat de moviment aplicada al jet entrant a la cambra de barreja, es comparada amb la pressió d'estancament dinàmica a les parets convergents de la cambra de barreja, amb el cabal màssic dinàmic que surt del actuador, amb el cabal màssic dinàmic que passa per els canals de realimentació, amb la pressió dinàmica que hi ha a la sortida dels canals de realimentació i amb el angle de oscil·lació del jet a l'entrada de la cambra de barreja. Tots aquests paràmetres es va veure que estaven correlacionats i això indicava que el origen de les oscil·lacions del jet era únic i era la pressió d'estancament a les parets convergents de la cambra de barreja, provant que les oscil·lacions son dirigides per gradients de pressió. Posteriorment es va fer el mateix tipus de estudi però modificant la amplada i angle de inclinació a l'entrada de la cambra de barreja i també modificant la amplada i angle de inclinació de les parets de sortida de la cambra de barreja. Aquestes quatre modificacions de la geometria interna es van fer per tres números de Reynolds diferents, 8711, 16034 i 32068. Entre les conclusions obtingudes cal destacar que, la freqüència i amplitud de oscil·lació del jet a la sortida del actuador pot ser modificada al variar les dimensions i angles interns de la cambra de barreja. Independentment del número de Reynolds estudiat i de la modificació interna considerada, es va comprovar que les oscil·lacions estaven dirigides per els gradients de pressió existents entre les dos sortides dels conductes de realimentació. L'efecte generat per qualsevol modificació interna era sempre més rellevant a números de Reynolds alts. En la tercera fase de la tesi el fluid es va considerar com a compressible subsònic, i es va avaluar els efectes de la modificació de la longitud dels canals de realimentació, sobre la freqüència i amplitud del flux que surt del oscil·lador. Quatre diferents longituds i dos números de Mach van ser avaluats. Al augmentar la longitud del canal de realimentació, la freqüència i amplitud de la oscil·lació disminueix, la oscil·lació tendeix a ser mes caòtica, apareixen altes freqüències que fan que el jet fluctuï en lloc de oscil·lar, de fet a partir de una certa longitud les oscil·lacions desapareixen i només hi han fluctuacions. Aquestes fluctuacions apareixen abans per elevats números de Mach. Les oscil·lacions son degudes a gradients de pressió, al igual que en el cas de fluid incompressible. De fet, per fluid compressible, el cabal màssic que passa per els canals de realimentació, juga un paper menys rellevant que en el cas de fluid incompressible.