Utilization of Decomposition Techniques for Analyzing and Characterizing Flows
Författare
Summary, in Swedish
Popular Abstract in Swedish
Vetskap om strömning av vätskor och gaser är viktigt i dagens samhälle, vilket inkluderar transport i rör, förbränning, och flödesinducerade vibrationer. På grund av sin flyktiga form är möjligheten att kontrollera flöden i diverse applikationer begränsad. Strömning kan vara väldigt svårt att beskriva och kategorisera, speciellt då höga hastigheter är inblandade. Hastigheten i olika punkter i flödet är oftast väldigt oförutsägbar, och detta får stora konsekvenser när man vill blanda eller transportera olika substanser. Ett karakteristiskt inslag hos flöden med höga hastigheter är uppkomsten av virvlar och liknande strukturer av olika storlekar. Ett visst synsätt kan leda till att behandla olika strukturer som individuella delar, vars summa innefattar hela flödet. Detta är alltså ett försök att underlätta situationen genom att först dela upp flödet, för att sedan analysera de individuella delarna. Tillsammans med slumpmässiga strukturer kan det också uppstå flödesmönster som upprepar sig periodiskt, eller nästan periodiskt, varje fall inom ett visst tidsintervall. Dessa återkommande mönster är ofta stora och energirika, och kan ha ett dominerande inflytande på flödet i stort. Till exempel kan de ge upphov till en ökad friktion och energiförlust för rörflöde, eller till att inducera storskaliga tryckoscillationer i gasturbiner. För att kunna definiera och utvärdera olika flödesmönster krävs robusta metoder, vilka bör baseras på vettiga fysikaliska kriterier. Detta skulle kunna innefatta energirika strukturer, eller strukturer som oscillerar med en enda frekvens.
Denna avhandling syftar till att undersöka och karakterisera storskaliga strukturer för flöden i olika typer av situationer. I första hand hanteras ett fall med ett inkommande turbulent flöde till ett 90 graders krökt rör. Fallet riktar sig mot att förklara ett fenomen, kallat 'swirl switching', där någon form av storskalig rotation eller deformation av flödet sker nedströms om kröken. Resultat från numeriska studier visar på en koppling mellan detta fenomen och långa energirika flödesformationer som bildas uppströms, i det raka röret. Andra fall som också har behandlats involverar starkt roterande strömning, från inlopp till utlopp, vilket ger flödespartiklar som rör sig i en spiralform. Dessa strömningar har en tendens att sakta ner flödet, och t.o.m. orsaka hastigheter i riktning mot inloppet. Detta bidrar i sin tur till starka strukturer, vilka får möjlighet att byggas upp i stället för att transporteras nedströms. Denna typ av flöde, med en hög rotationsnivå, används flitigt för att stabilisera flammor i befintliga gasturbiner. En annan typ av flamstabilisering, vilket härstammar från ett nyare koncept, bygger på en låg rotationsnivå. Eftersom hastighetsändringarna för dessa flöden är lägre, har man lyckats skapa stabila flammor med låg temperatur, som dessutom svävar en bra bit över brännaren. Detta kan däremot vara en väldigt känslig uppsättning, med en flamma som lätt blåser iväg. En mekanism som hjälper till att förankra flamman har isolerats, och presenteras i denna avhandling. Till sist har vakflöden för strömning kring olika objekt studerats, där objekten har förflyttats/deformerats som svar på krafter från flödet. Fallen behandlar strömning kring en cylinder fastspänd i fjädrar, en uppsättning av fyra cylindrar fastspända i fjädrar, och en balk som är fastspänd i ena änden. Olika strukturer har extraherats, och fysikaliska förklaringar har lagts fram.
Vetskap om strömning av vätskor och gaser är viktigt i dagens samhälle, vilket inkluderar transport i rör, förbränning, och flödesinducerade vibrationer. På grund av sin flyktiga form är möjligheten att kontrollera flöden i diverse applikationer begränsad. Strömning kan vara väldigt svårt att beskriva och kategorisera, speciellt då höga hastigheter är inblandade. Hastigheten i olika punkter i flödet är oftast väldigt oförutsägbar, och detta får stora konsekvenser när man vill blanda eller transportera olika substanser. Ett karakteristiskt inslag hos flöden med höga hastigheter är uppkomsten av virvlar och liknande strukturer av olika storlekar. Ett visst synsätt kan leda till att behandla olika strukturer som individuella delar, vars summa innefattar hela flödet. Detta är alltså ett försök att underlätta situationen genom att först dela upp flödet, för att sedan analysera de individuella delarna. Tillsammans med slumpmässiga strukturer kan det också uppstå flödesmönster som upprepar sig periodiskt, eller nästan periodiskt, varje fall inom ett visst tidsintervall. Dessa återkommande mönster är ofta stora och energirika, och kan ha ett dominerande inflytande på flödet i stort. Till exempel kan de ge upphov till en ökad friktion och energiförlust för rörflöde, eller till att inducera storskaliga tryckoscillationer i gasturbiner. För att kunna definiera och utvärdera olika flödesmönster krävs robusta metoder, vilka bör baseras på vettiga fysikaliska kriterier. Detta skulle kunna innefatta energirika strukturer, eller strukturer som oscillerar med en enda frekvens.
Denna avhandling syftar till att undersöka och karakterisera storskaliga strukturer för flöden i olika typer av situationer. I första hand hanteras ett fall med ett inkommande turbulent flöde till ett 90 graders krökt rör. Fallet riktar sig mot att förklara ett fenomen, kallat 'swirl switching', där någon form av storskalig rotation eller deformation av flödet sker nedströms om kröken. Resultat från numeriska studier visar på en koppling mellan detta fenomen och långa energirika flödesformationer som bildas uppströms, i det raka röret. Andra fall som också har behandlats involverar starkt roterande strömning, från inlopp till utlopp, vilket ger flödespartiklar som rör sig i en spiralform. Dessa strömningar har en tendens att sakta ner flödet, och t.o.m. orsaka hastigheter i riktning mot inloppet. Detta bidrar i sin tur till starka strukturer, vilka får möjlighet att byggas upp i stället för att transporteras nedströms. Denna typ av flöde, med en hög rotationsnivå, används flitigt för att stabilisera flammor i befintliga gasturbiner. En annan typ av flamstabilisering, vilket härstammar från ett nyare koncept, bygger på en låg rotationsnivå. Eftersom hastighetsändringarna för dessa flöden är lägre, har man lyckats skapa stabila flammor med låg temperatur, som dessutom svävar en bra bit över brännaren. Detta kan däremot vara en väldigt känslig uppsättning, med en flamma som lätt blåser iväg. En mekanism som hjälper till att förankra flamman har isolerats, och presenteras i denna avhandling. Till sist har vakflöden för strömning kring olika objekt studerats, där objekten har förflyttats/deformerats som svar på krafter från flödet. Fallen behandlar strömning kring en cylinder fastspänd i fjädrar, en uppsättning av fyra cylindrar fastspända i fjädrar, och en balk som är fastspänd i ena änden. Olika strukturer har extraherats, och fysikaliska förklaringar har lagts fram.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2014
Språk
Engelska
Fulltext
- Available as PDF - 27 MB
- Download statistics
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Ämne
- Energy Engineering
Nyckelord
- Decomposition techniques
- Proper orthogonal decomposition
- Dynamic mode decomposition
- Extended dynamic mode decomposition
- Swirl switching
- Swirling flow
- Low swirl burner
- Fluid-structure interaction
Status
Published
Handledare
- Laszlo Fuchs
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISBN: 978-91-7623-152-4
Försvarsdatum
7 november 2014
Försvarstid
10:15
Försvarsplats
Lecture hall M:A, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University, Faculty of Engineering (LTH)
Opponent
- Jens Sörensen (Professor)