Compressible Fluid Flow through Narrow Channels

Abstract

The turbulence transition in pipe and channel flow represents up to now an important topic, since it is the nature of the flow, which substantially affcts the friction and associated losses. With increasing miniaturization and more detailed numerical simulations of the various small flow parts of the turbomachines, the need for experimental data to explore the narrow channel flow phenomena and to validate numerical codes is still there. This thesis presents the results of the project which aimed to experimentally and numerically explore the compressible viscous flow in narrow channels of the rectangular cross-section of the high aspect ratio. Main objectives of this work were to explore the nature of the flow in such channels using a number of experimental methods including hot-film probe, explore the inuence of two types of surface roughness and discuss the effcts associated with the phenomenon of aerodynamic choking due to friction. Apart from the narrow channel measurements, the thesis contains also the detailed description of the calibration process of the hot-film probe and accompanying numerical study. It was observed that despite the channel length to channel height ratio ranging from 50 to 200, the flow was mostly transitional except the flow in the smallest channel of the height h = 0:5 mm. The efects of the surface roughness were explored using both qualitative and quantitative measurements by means of hot-film probe. The later provided distribution of the wall shear stress at five locations along the channel for two chosen regimes. Further, the analysis revealed inapplicability of the one-dimensional theory for the estimation of the friction factor. The theoretical analysis of the flow choking supported by numerical simulations shows that due to frictional losses, the actual choking is shifted towards the lower back pressure ratios. These findings were summarized in charts, which comprehensively illustrate derived relations.

Přechod do turbulence v trubkách a kanálech nekruhových průřezů stále představuje aktuální problém dynamiky tekutin, jelikož je to právě režim proudění, který zásadně ovlivňuje tření a s ním spojené ztráty. S pokračující miniaturizací a stále detailnějšími numerickými simulacemi i malých průtočných částí turbostrojů vyvstává potřeba prozkoumat jevy, ke kterým dochází při proudění v takto úzkých kanálech a získat data, na jejichž základě by bylo možné validovat numerické modely. Tato práce představuje výsledky doktorandského projektu, který měl za cíl pomocí experimentů a numerické simulace prozkoumat proudění vazké stlačitelné tekutiny úzkými kanály obdélníkového průřezu s vysokým poměrem šířky a výšky. Mezi hlavní cíle patřilo prozkoumání režimu proudění pomocí různých metod včetně použití sondy se žhaveným filmem, dále prozkoumání vlivu dvou typů drsností stěn kanálku a objasnění některých jevů spojených s aerodynamickým ucpáním vlivem tření. Kromě samotného popisu a rozborů experimentu práce obsahuje také detailní popis kalibrace sondy se žhaveným filmem a doprovodných numerických výpočtů. Bylo pozorováno, že i při značném poměru délky a výšky kanálku, který se pohyboval v rozmezí 50 až 200, bylo proudění ve většině měřených režimů, kromě případu s výškou kanálku h = 0:5 mm, přechodově. Efekt různě drsných stěn byl zkoumán pomocí kvalitativních i kvantitativních měření pomocí sondy se žhaveným filmem, přičemž kvantitativní měření poskytlo data o smykovém tření v pěti bodech podél kanálku pro dva vybrané režimy proudění. Další analýzy prokázaly, že ve zkoumaných kanálech není možné použít jednorozměrný model proudění pro věrohodné určení smykového tření. Teoretické rozbory a numerické simulace ukázaly, že k aerodynamickému ucpání dochází vlivem ztrát při nižším protitlaku, než odpovídá ideálnímu případu. Výsledky těchto rozborů a z nich odvozených vztahů jsou přehledně zobrazeny do grafů.