Fluidic oscillator numerical modelling considering dimensional modifications

Abstract

(English) Fluidic Oscillators (FO) may significantly improve flow mixing and cooling. However, they are mostly used in Active Flow Control (AFC) applications, where the pulsating flow they generate interacts with the boundary layer to typically postpone its separation. Before using any FO in an application, it is crucial to analyze the frequencies and amplitudes it may produce based on the incoming mass flow and its dimensions. The current work focuses on explaining this particular aspect in a somewhat innovative FO setup. We have preformed a numerical study of a conventional FO arrangement using both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) approaches. Upon comparing the 3D and 2D data and analyzing the primary disparities, we made adjustments to the internal dimensions of the FO to assess the impact on its dynamic performance. The current findings clarify which are the internal dimensional alterations that provide greater output frequencies and amplitudes in the velocity field. An effort is made to examine the source of the self-sustained oscillations. According to the results of the numerical investigations, the dimensional modifications influenced the reverse flow inside the feedback channels, increasing/decreasing it at the feedback channels outlets, which had a clear effect on the frequency and on the operation of the device. When evaluating the forces acting on the jet as it enters the mixing chamber, the pressure momentum (pressure force) appears under all conditions studied, to be several times higher than the mass flow one, from which it can be concluded that this fluidic oscillator is pressure driven. As expected, the increase of the incoming flow Reynolds number, has a direct relation on the fuidic oscillator outlet frequency. The present research establishes for the first time a relation between the reverse mass flow in the feedback channels with the fluidic oscillator outlet frequency, the higher the feedback channel mass flow, the smaller the fluidic oscillator outlet frequency. Also has also been stated that, the 2D-CFD simulations, overestimated the feedback channel reverse flow.

(Català) Els oscil·ladors fluids (FO) poden millorar significativament la barreja i el refredament del flux. No obstant això, s'utilitzen principalment en aplicacions de control actiu de flux (AFC), on el flux pulsatori que generen interacciona amb la capa límit per posposar normalment la seva separació. Abans d'utilitzar qualsevol FO en una aplicació, és crucial analitzar les freqüències i amplituds que pot produir en funció del flux de massa entrant i les seves dimensions. El treball actual se centra a explicar aquest aspecte particular en una configuració de FO bastant innovadora. Hem realitzat un estudi numèric d'una disposició FO convencional utilitzant enfocaments bidimensionals (2D) i tridimensionals (3D). Després de comparar les dades 3D i 2D i analitzar les disparitats primàries, vam fer ajustos a les dimensions internes de l'OP per avaluar l'impacte en el seu rendiment dinàmic. Les troballes actuals aclareixen quines són les alteracions dimensionals internes que proporcionen majors freqüències de sortida i amplituds en el camp de velocitat. S'ha fet un esforç per examinar l'origen de les oscil·lacions autosostenides. Segons els resultats de les investigacions numèriques, les modificacions dimensionals van influir en el flux invers dins dels canals de retroalimentació, augmentant-lo/disminuint-lo a les sortides dels canals de retroalimentació, la qual cosa va tenir un efecte clar en la freqüència i en el funcionament del dispositiu. Quan s'avaluen les forces que actuen sobre el doll en entrar a la cambra de mescla, la quantitat de moviment deguda a la pressió (força de pressió) es en totes les condicions estudiades, diverses vegades superior a la de flux de massa, de la qual cosa es pot concloure que aquest oscil·lador fluídic és impulsat per pressió. Com era d'esperar, l'augment del nombre de Reynolds del flux entrant té una relació directa amb la freqüència de sortida de l'oscil·lador fuídic. La present investigació estableix per primera vegada una relació entre el flux de massa invers en els canals de retroalimentació i la freqüència de sortida de l'oscil·lador fluídic, com més gran sigui el flux de massa del canal de retroalimentació, menor serà la freqüència de sortida de l'oscil·lador fluídic. També s'ha observat que, les simulacions 2D-CFD, sobreestimen el flux invers del canal de retroalimentació.

(Español) Los osciladores fluídicos (FO) pueden mejorar significativamente la mezcla y el enfriamiento del flujo. Sin embargo, se utilizan principalmente en aplicaciones de control de flujo activo (AFC), donde el flujo pulsante que generan interactúa con la capa límite para posponer típicamente su separación. Antes de utilizar cualquier FO en una aplicación, es crucial analizar las frecuencias y amplitudes que puede producir en función del flujo másico entrante y sus dimensiones. El trabajo actual se centra en explicar este aspecto particular en una configuración de FO algo innovadora. Hemos realizado un estudio numérico de una disposición de FO convencional utilizando enfoques tanto bidimensionales (2D) como tridimensionales (3D). Tras comparar los datos 3D y 2D y analizar las disparidades primarias, realizamos ajustes de las dimensiones internas del FO para evaluar el impacto en su rendimiento dinámico. Los hallazgos actuales aclaran cuáles son las alteraciones dimensionales internas que proporcionan mayores frecuencias y amplitudes de salida en el campo de velocidad. Se realiza un esfuerzo para examinar la fuente de las oscilaciones autosostenidas. Según los resultados de las investigaciones numéricas, las modificaciones dimensionales influyeron en el flujo inverso dentro de los canales de retroalimentación, incrementándolo/disminuyéndolo en las salidas de los canales de retroalimentación, lo que tuvo un claro efecto en la frecuencia y en el funcionamiento del dispositivo. Al evaluar las fuerzas que actúan sobre el chorro cuando ingresa a la cámara de mezcla, la cantidad de movimiento debida al t'ermino de presión (fuerza de presión) parece ser, en todas las condiciones estudiadas, varias veces mayor que el del flujo másico, con lo que se puede concluir que este oscilador fluídico está impulsado por presión. Como se esperaba, el aumento del número de Reynolds del flujo entrante tiene una relación directa con la frecuencia de salida del oscilador fluídico. La presente investigación establece por primera vez una relación entre el flujo másico inverso en los canales de retroalimentación con la frecuencia de salida del oscilador fluídico, cuanto mayor es el flujo másico del canal de retroalimentación, menor es la frecuencia de salida del oscilador fluídico. También se ha observado que las simulaciones 2D-CFD sobreestiman el flujo inverso del canal de retroalimentación.