[論文レビュー] Développement d'instabilités dans un écoulement subsonique se développant au-dessus d'une cavité : mesures synchronisées PIV-LDV

Thierry M. Faure, François Lusseyran+3 more|ArXiv.org|Sep 1, 2006

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、レイノルズ数4,600〜18,500の範囲で、幅高比2の長方形キャビティ上を流れる亜音速境界層流れを調査する。同期化されたPIVとLDV測定を用いて、キャビティ上部のせん断層内の不安定性の発展を分析し、位相ロックされた渦構造と時間分解能のある速度フラクチュエーションを明らかにした。位相平均PIVデータは、LDV信号の特異値分解を用いて導出された。

ABSTRACT

A boundary layer interacting with a cavity is a benchmark case that is present in environmental applications, aeronautics, automobile aerodynamics or industrial applications, where the velocity over a rectangular cavity is relatively low. In the present investigation, the interaction between a laminar boundary layer with external velocity Ue and an open cavity is investigated experimentally for medium range Reynolds numbers (between 4600 and 18500) with flow diagnostics optical methods, for a cavity aspect ratio (length over depth) of two. A shear layer induces a main vortex and a counter-rotating secondary vortex inside the cavity. The shear layer also develops instabilities interacting with the downstream cavity edge. Particle image velocimetry (PIV) and laser Doppler velocimetry (LDV) measurements are synchronized in order to get global information of both spatial velocity fields and time-resolved signals in a particular position situated downstream of the development of the shear layer above the cavity. The PIV velocity fields are phase-averaged with a singular value decomposition of the LDV signal.

研究の動機と目的

• 層流境界層が長方形キャビティと相互作用する際の流体力学的不安定性の発展を実験的に調査すること。
• 特にキャビティの下流縁と相互作用する、キャビティ上部に形成されるせん断層の非定常的ダイナミクスを理解すること。
• キャビティ内の流れにおける速度場および渦構造の空間的・時間的発展を特徴づけること。
• 複雑なせん断層流れにおいて、グローバルな流れの様子と時間分解能のある信号を同時に捉えるために、同期化PIV-LDV測定手法を検証すること。
• LDVデータの特異値分解を用いて不安定性の位相ロックされた挙動を分析し、一貫性のある構造を抽出すること。

提案手法

• 幅高比2（長さ/深さ）の長方形キャビティ上を流れる亜音速境界層流れの実験を実施する。
• 粒子画像ビジロメトリー（PIV）を用いて、流れ領域全体の空間的分解能に富んだ時間平均速度場を取得する。
• 特定の下流位置でレーザー・ドップラー・ビジロメトリー（LDV）を用いて、高分解能の時間分解能のある速度信号を取得する。
• PIVとLDVの測定を同期化し、グローバルな流れ構造と局所的な非定常フラクチュエーションを相関づける。
• LDV信号に特異値分解（SVD）を適用し、支配的振動モードを抽出し、それに応じてPIVデータを位相ロックする。
• 位相平均PIV解析を実施し、支配的不安定性に関連する一貫性のある速度構造を再構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 亜音速境界層流れにおける長方形キャビティ上部のせん断層に、不安定性はどのように発展するか？
• RQ2 キャビティ内に形成される一次および二次の渦の空間的構造と時間的発展は何か？
• RQ3 LDVで測定された非定常フラクチュエーションと、PIVが捉えたグローバルな速度場の間に、どのような相関関係があるか？
• RQ4 LDV信号の特異値分解により、PIVデータの位相平均に適切に共通モードを抽出できるか、その有効性はどの程度か？
• RQ5 キャビティの下流縁は、せん断層の不安定性をどのように調制しているか？

主な発見

• せん断層の不安定性により、キャビティ内に一次渦と反時計回りに回る二次渦が形成される。
• せん断層は非定常的で振動的挙動を示し、下流のキャビティ縁と強く相互作用する。
• 同期化されたPIVとLDV測定により、グローバルな流れ構造と局所的な時間分解能のある速度フラクチュエーションの両方を成功裏に捉えた。
• LDV信号のSVDを用いて導出された位相平均PIVデータにより、位相ロックされた、一貫性のある渦構造がせん断層に明確に可視化された。
• 支配的不安定性周波数は、せん断層の自然振動と関連しており、増幅および放出特性が明確に測定された。
• 空間的PIVデータと時間的LDV信号を位相同期によって統合することで、非定常流れのダイナミクスを正確に再構築可能であることが示された。