Experimental Investigation of Finite-Sized Inertial Particles Dynamics in Wind Tunnel Grid Generated Turbulence
Etude Expérimentale de la Dynamique de Particules Inertielles dans une Turbulence de Grille en Soufflerie : Effets de Densité et de Taille Finie
Résumé
In the current research work, the effects of particle's finite size and density on their Lagrangian dynamics in turbulent flow have been explored. The flow type is grid generated wind tunnel turbulence. Gas inflated soap bubbles are used as particles whose size and density can be adjusted as per requirement within an attainable range. The particles injected into the flow are tracked in a Lagrangian manner employing the state-of-the-art Ultrasonic Doppler Velocimetry. A range of particle sizes and densities were studied by systematically varying them, while keeping flow configuration the same. For each set of particle size and density their Lagrangian velocity and acceleration statistics were calculated after recording thousands of velocity signals. The Lagrangian velocity PDFs were found to be Gaussian and: independent of particle size and density; and identical to the Eulerian velocity PDFs of the carrier flow. Regarding particles Lagrangian acceleration, no effect of particle size and density was observed on the normalized acceleration PDFs. These effects were only observed upon particles acceleration variance which for neutrally buoyant particles decreases monotonically with increasing particle size. However, for heavier particles the finite size effects on particles acceleration variance can be trivially extrapolated neither from heavy point particle limit nor from neutrally buoyant case. The dynamics of all the data sets studied were found to be intermittent. The particles response to turbulent forcing, obtained from acceleration autocorrelations was found not to vary much as it remains of the order of kolmogorov's time scale for all the data sets as compared with particles response time.
Les effets de taille finie et de densité de particules sur leur dynamique Lagrangienne dans un écoulement turbulent ont été étudiés, dans ce travail de recherche. L'écoulement de choix est la turbulence de grille en soufflerie. Des bulles de savon, gonflée au gaz ont été utilisés comme particules, la densité est la taille de les quelles peuvent ajuster à souhait dans une gamme réalisable. Celles-ci sont injectées dans l'écoulement, et sont suivies de manière Lagrangienne, en se basant sur l'état de l'art en Vélocimétrie Doppler Acoustique. Pour un même configuration d'écoulement, les tailles et les densités de particules ont été varié à l'intérieur d'une gamme faisable. Pour chaque série de particules, la vitesse et l'accélération statistiques Lagrangienne ont été déterminées, après avoir enregistré quelques mille signaux de vitesses. Les résultats montrent que les PDFs de vitesse Lagrangienne sont Gaussiennes et : indépendantes de la taille et de la densité des particules ; et sont similaire aux PDFs des vitesses Eulérienne de l'écoulement porteur. Aucuns effets de taille et de densité n'ont été trouvés sur la PDF d'accélération normalisée. Par contre, ces effets sont dominant dans la variance d'accélération, qui pour les particules iso densité décroit dans une façon monotone avec la taille de particule. Par contre, pour les bulles lourdes ces effets de taille finie peut traduire ni à partir des modèle limite de point particule ni du cas de particule iso densité. La dynamique de toutes les séries étudiées a été trouvé intermittente. Le temps de forçage turbulente été calculé à partir de l'auto corrélation d'accélération qui ont été trouvé de n'est pas varié beaucoup et qui reste dans l'ordre de temps de kolmogorov par rapport aux temps de réponses de particules calculé normalement.
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