Experimental study of channel flow with sinusoidal walls using stereo-PIV

Abstract

Et eksperiment har blitt designet for å utforske resultatene til Brostrøm, Holum, Akselsen og Ellingsen i første omgang, og masteroppgaven kan bli sett på som en fortsettelse av dette arbeidet (Brostrøm, 2020, Holum, 2020 and Akselsen and Ellingsen, 2020). De studert plan Poiseuille flow med modifisert veggeometri bestående av kryssende sinusbølger både teoretisk og numerisk. Derimot finnes det ikke noen eksperimentell data på akkurat denne geometrien som forfatteren vet om.Dette eksperimentet ble derfor designet og brukt som en liten åpen vindtunnel med en testseksjon så lik som mulig det numeriske oppsettet til Brostrøm og Holum (Brostrøm, 2020, Holum, 2020).Den gjennomsnittelige kanalhøyden ble designet til å være 2 cm høy for at laminær, turbulent og overgangsstrømning skal kunne produsers som i de numeriske simuleringene. For å ta målingen bledet brukt et stereo-PIV-oppsett for å hente ut informasjon om all tre hastighetskomponenter i et plan stående normalt på strømningen. Topplata på kanalen var også utstyrt med trykkutganger for å kunne måle trykktappet i kanalen. Fire mål ble satt før og under jobbingen ettersom ny infomasjon kom frem. De fire målene var: 1. Lag et eksperimentelt oppsett som kan produsere strømningstilstandene i simuleringen til Brostrøm og Holum, inkludert lavt nok Reynoldstall og riktig overflategeometri.

2. Finn ut ved hvilket Reynoldstall strømningen går fra laminær til turbulent ved å se på foreksempel hastighetsprofiler, turbulensintensitet og øyeblikksbilder av hastigheter.

3. Sammenlign strømningen kvalitativt med de numeriske resultatene til Brostrøm og Holum så godt som mulig (Brostrøm, 2020, Holum, 2020).

4. (Hvis mulig finn eller ta tilsvarende data for plan Poiseuille flow).

Det første målet ble gjennomført tilfredsstillende, med noen mulige forbedringer, og dette ga mulighet for å finne svar på de tre andre målene. Ett svar på det andre målet ble funnet ved hjelp av blant annet de nevnte hjelpemiddlene samt tidsgjennomsnittelige ”streamwise” hastigheter. Et konservativt estimat på området hvor strømningen skifter fra laminær til turbulent ble funnet til å grovt være mellom Re0= 1400 og Re0= 2400, noe som plasserer det forutsagte overgangs-Reynoldstallet på 2000 av Holum nesten midt i dette området (Holum, 2020). Så til det tredje målet. Sammeligninger mellom eksperimentelle resultater og numeriske resultater fra Brostrøm ogHolum ble gjennomført, men i små mengder siden det var lite tid igjen (Brostrøm, 2020, Holum,2020). Det fjerde målet ble lagt til sent ettersom iden ikke hadde prioritet fra start. Likevel ble ett røft forsøk ved å bruke glassplater plassert oppå de bølgete veggen gjennomført. Dessverre ble kvaliteten og kvantiteten av disse målingene for dårlige til å slutte noen konklusjoner. Fremtidig arbeid anbefales å lage flate plater med og uten overflateruhet for å tilføre eller avkrefte påstanden om at veggeometrien studert her senker overgangs-Reynoldstallet.

An experiment has been designed to explore the findings of Brostrøm, Holum, Akselsen and Ellingsen first and foremost, and can be seen as a continuation of that work (Brostrøm, 2020, Holum, 2020 and Akselsen and Ellingsen, 2020). They studied plane Poiseuille flow with a modified wall geometry made up of crossing sinusoidal waves both theoretically and numerically. However experimental data on this specific geometric construction is not known to exist to the author. This experiment was therefore designed and put into operation as a small open return wind tunnel with a test section made as close to equal to the numerical setup of Brostrøm and Holum (Brostrøm,2020, Holum, 2020). The mean channel height was designed to be 2 cm, to allow for laminar, turbulent and transitional flow as in the numerical simulations. To take the measurements a stereo-PIV setup was used to gather all three velocity components in a spanwise plane. The top plate was also equipped with pressure ports to measure the pressure drop in the channel. Four goals was set before and during the making and measuring phase of the experiments as new information becameavailable. These four were: 1. Make an experimental set-up able to produce flow conditions as in the simulations of Brostrøm and Holum, including low enough Reynolds number and surface geometry.

2. Find out at which Reynolds number the flow transitions, by looking at for example velocityprofiles, turbulence intensity and instantaneous velocities.

3. Compare the flow qualitatively to the numerical results of Brostrøm and Holum as best aspossible (Brostrøm, 2020, Holum, 2020).

4. (If possible find or make comparable data for plane Pouiseuille flow).

The first one was accomplished satisfactorily, with some possible improvements, and therefore allowed the opportunity to find answers to the three others. An answer to the second question was found using the tools mentioned in the question and the time-averaged streamwise velocities. The range was conservatively found to be roughly between Re0= 1400 and Re0= 2400, which places the predicted transitional Reynolds number of 2000 by Holum firmly in the middle of this region (Holum, 2020). Onto the third goal. Comparisons between the experimental results and numerical results of Brostrøm and Holum were done, but in to low quantity due to time constraints (Brostrøm, 2020, Holum, 2020). The fourth goal was added late as the idea did not have priority from the start. However a rough attempt using acrylic plates placed on top of the wavy walls was attempted. However the measurement quality and quantity was too bad to make any definite conclusions. Further work is recommended to focus on the making of flat plates with and without surface roughness to substantiate or disprove the claim that the wall geometry studied here do infact lower the transitional Reynolds number.