Promotie G. Caridi: helium

14 maart 2018 12:30 - Locatie: Aula, TU Delft - Door: webredactie

Development and application of Helium filled Soap Bubbles. For large-scale PIV experiments in aerodynamics. Promotor: Prof.dr. F. Scarano (LR).

Een nieuw soort tracer doet zijn intrede in de wereld van windtunnel metingen: met helium gevulde zeepbellen (HFSB). Het werk in deze dissertatie bediscussieert de belangrijkste vloeistof-dynamische en optische eigenschappen van HFSB, om de potentie te onderzoeken van HFSB voor kwantitatieve metingen in het gebied van experimentele aerodynamica.

In de afgelopen drie decennia is particle image velocimetry (PIV) een standaard meettechniek geworden in het veld van experimentele stromingsmechanica. Ontwikkelingen van zowel hardwarecomponenten als software analysetechnieken hebben veel mijlpalen voor stromingsdiagnostiek mogelijk gemaakt, vooral voor instantane en tijdopgeloste volumetrische metingen. In het bijzonder, de uitbreiding naar de derde ruimtelijke dimensie, i.e. tomographic PIV en 3D particle tracking velocimetry (PTV), heeft kwantiatieve visualisatie van coherente structuren in verschillende turbulente stromingen mogelijk gemaakt, en heeft inzicht gegeven in de ruimtelijke organisatie van turbulente bewegingen op verschillende schalen. De uitbreiding van de hierboven genoemde technieken voor toepassingen in windtunnel metingen in de industrie vereist de ontwikkeling van een meer efficiënte benadering in termen van opschaling en versatiliteit.

Deze dissertatie pakt het probleem van opschaling van PIV experimenten naar industriële windtunnels aan, gebruik makend van HFSB als tracers. De motivatie voor deze keuze wordt in het eerste hoofdstuk behandeld, gevolgd door een beschrijving van de state-of-the-art van PIV. Het tweede hoofdstuk behandelt de werkingsprincipes van PIV, welke later worden gebruikt bij de presentatie van de stappen die gezet zijn naar grote-schaal experimenten. Achtergrondinformatie over het mechanische gedrag van tracer deeltjes en de onderliggende fysica worden beschreven in het derde hoofdstuk, waarin ook het geval van HFSB wordt bekeken voor gebruik tijdens kwantitatieve metingen in het lage-snelheid stromingsregime.

Het probleem van generatie en distributie van tracers in windtunnels wordt bediscussieerd in hoofdstuk 4, waarin ook een systeem voor injectie van HFSB in een grote windtunnel gepresenteerd wordt. De relatie tussen de productiesnelheid van HFSB en de resulterende ruimtelijke concentratie en het dynamisch ruimtelijk bereik (DSR) wordt beschreven. Specifieke experimenten die de getrouwheid van sub-millimeter HFSB aan de luchtstroom onderzoeken worden gepresenteerd in hoofdstuk 5. Het gedrag van HFSB wordt vergeleken met druppels van micro-grootte, wat laat zien dat de HFSB een karakteristieke responstijdschaal in de range van 10 μs hebben. Deze mijlpaal opent deuren voor toepasbaarheid van HFSB tracers voor kwantitatieve luchtstroommetingen in wind tunnel stromingen. In hoofdstuk 6 wordt een specifiek geval gepresenteerd, waar HFSB tracers gebruikt worden om de stromingssnelheid te meten binnen gestage wervelingen, zoals bijvoorbeeld de wervelingen die ontstaan aan de tip van een vleugel. Een specifiek experiment laat zien dat de HFSB met neutraal of licht drijfvermogen een ongeveer homogene ruimtelijke concentratie binnen de wervelkern aannemen, wat een oplossing is voor het reeds lang bestaande probleem van kleine en zware tracers (zoals mist druppels) die systematisch uit de kern gecentrifugeerd worden.

Een theoretische en experimentele analyse van de lichtverstrooing door HFSB is uitgevoerd en beschreven in hoofdstuk 7. De intensiteit van de lichtverstrooing door de HFSB wordt gekarakteriseerd door twee bronpunten: de schitterpunten. De globale lichtverstrooing van HFSB blijkt 104-105 keer meer intens te zijn dan op olie gebaseerde druppels van micro-grootte. Met deze informatie wordt vervolgens de maximale grootte van het meetvolume bepaald, voor een gegeven lichtbron.

Hoofdstuk 8 presenteert tot slot een overzicht van alle experimenten die uitgevoerd zijn tijdens dit PhD onderzoek. De schaal van de experimenten varieert van de meer academische case van een ronde cylinder tot aan de schaal van het model van een boot geinstalleerd in een van de grote industriele windtunnels die beheerd worden door de Duits-Nederlandse windtunnel laboratoria (DNW), door de visualisatie en kwantificering van grote structuren in het rotorgebied van een verticale as windturbine (VAWT).

Meer informatie?

Voor inzage in proefschriften van de promovendi kunt u kijken in de TU Delft Repository, de digitale vindplaats van openbare publicaties van de TU Delft. Proefschriften zullen binnen een paar weken na de desbetreffende promotie in de Repository te vinden zijn.