Quasi-3D numerieke simulaties
Hoofdstuk 5. Quasi-3D numerieke simulaties 75
a) X= 0.0, Wc= -10.0, Uc = 1.0 b) X= 0.5, Wc= -14.4, Uc = 1.5
c) X= 1.0, Wc
=
-18.4, Uc=
2.0 d) X = 2.5, Wc = -26.4, Uc = 3.5e) X= 5.0, Wc= -32.7, Uc
=
6.0 f) X= 10.0, Wc= -36.4, Uc = 11.0Figuur 5.17: Vorticiteitsplots voor '1/Jz
=
x(y-1)+
y bij Re=
1500.76 5.4 De groei van vorticiteit en wervels
Hoofdstuk 5. Quasi-3D numerieke simulaties 77
uit (5.12) en (5.13) wanneer U= Uc, Wx =Wc en A=
JJ
dA "'r2• In de numerieke simu-laties met 1/Jz gegeven door (5.16) gaat dit niet op. In de alinea hierboven zijn de situaties op x= 0.0 en x= 10.0 al vergeleken, de vorticiteit in het centrum van de wervel nam toen met een factor 3.64 toe. De snelheid Uc is echter 11.0 maal zo groot; de vorticiteit in het centrum neemt dus te weinig toe.Analoog hieraan neemt de straal van de wervel te weinig af. Wanneer er voldaan is aan (5.12) neemt de straal van de wervel af volgens r2 "'
;c.
De straal zou dan op x=
10.0 met een factor 3.3 afgenomen moeten zijn. Hoewel het moeilijk is een nauwkeurige waarde voor de straal te bepalen uit de afgebeelde doorsnedes, is het duidelijk dat de straal op x = 10.0 veel minder is afgenomen dan een factor 3.3.Het feit dat de vorticiteit in het centrum van de wervel te weinig is gestegen, is deels te wijten aan viskeuze diffusie. In het ideale, theoretische model van wervelstrekking is na-melijk geen rekening gehouden met viskeuze diffusie; alle vorticiteit wordt verondersteld in de strekkende wervelbuis te blijven. Het optreden van viskeuze diffusie zou tevens een goede verklaring zijn voor het feit dat de straal van de wervel niet voldoende afneemt: het verspreiden van vorticiteit vergroot de wervel.
Het is echter waarschijnlijker dat de oorzaak van de te geringe toename van de centrumvor-ticiteit te wijten is aan het feit dat er massa het domein wordt ingebracht uit een richting loodrecht op de wervelbuis. Dit betekent dat er ook een gedeelte van deze ingebrachte massa terecht komt in de wervelbuis zelf. Deze ingebrachte massa heeft echter geen vorti-citeit, zodat de toename van de centrumvorticiteit lager is dan we verwachten.
De circulatie is desondanks behouden, de waarden voor de circulatie als functie van x zoals deze gegeven zijn in tabel 5.2, geven aan dat de circulatie zeer constant is: op x= 20.0 is
r
slechts 2% gedaald.Behalve het strekken van de wervel is in de vorticiteitsplots en -doorsnedes nog een aantal interessante dingen te zien.
Om te beginnen is het geruststellend te zien dat de wervel gedurende de simulatie inderdaad niet van positie verandert. Daarnaast zien we dat de vorm van de wervel niet cirkelvormig blijft: voor x
=
0.5 (figuur 5.17b) heeft de wervel een elliptische vorm, hij is platgedrukt door de instroming van boven- en onderaf. Omdat de wervel blijft roteren, roteert de hoofdas van deze ellips mee (figuur 5.17c) en wordt het lange uitstekende gedeelte van de ellips weer samengedrukt. Zo is de vorm van de wervel uiteindelijk op x = 10.0 toch weer ongeveer cirkelvormig.Voorts kunnen we in de doorsnedes van de wervel zien dat de Gaussische vorticiteitsverde-ling van x = 0.0 niet Gaussisch meer is op x = 10.0. Het is mogelijk dat dit komt doordat de wervel onderhevig is aan wervelstrekking én aan viskeuze diffusie, die de wervel kleiner danwel groter maken. De invloed van deze twee effecten is niet lineair en de Gaussische verdeling verandert dientengevolge. Dit is een effect dat een nauwkeurige bepaling van de straal van de wervel nog eens extra moeilijk maakt.
Daarnaast is het mogelijk dat de vorticiteitsverdeling niet Gaussisch meer is, doordat de resolutie van het rooster te laag is of doordat de wervel wordt platgedrukt door de instro-ming van onder- en bovenaf.
78 5.4 De groei van vorticiteit en wervels
5.4.2.2 Instraming door de bovenrand, lineair snelheidsprofiel als uitstroming
Er geldt nu dat
'1/Jz - (xy2
+
y2)/4u (xy+y)/2 (5.17)
V -y/4
In de vorige paragraaf hebben we aangetoond dat we in een simpele stromingssituatie een wervel in vorticiteit toe kunnen laten nemen, wanneer we deze wervel in een versnellende hoofdstroom plaatsen. Om te onderzoeken of wervelstrekking een belangrijk mechanisme zou kunnen zijn in het groeien van de benen van een hairpinwervel, worden in deze paragraaf twee simulaties besproken van stromingssituaties die lijken op die van een hairpinwervel in een turbulente grenslaag. Daartoe wordt ten eerste een enkele wervel in een versnellende stroming met lineair snelheidsprofiel geplaatst. Deze situatie lijkt dus sterk op de algemene stromingssituatie, besproken in § 5.1.1. De resultaten van deze twee simulaties kunnen dan ook vergeleken worden om het netto effect van de versnellende hoofdstroom te kunnen achterhalen.
Omdat een hairpinwervel tenslotte uit twee benen bestaat, is het nog interessanter twee wervels te plaatsen in een versnellende stroming met lineair snelheidsprofiel. Dit is de tweede simulatie die in deze paragraaf wordt besproken. Deze simulatie lijkt op zijn beurt weer sterk op de simulatie, beschouwd in § 5.1.2.4, op pagina 57. Ook hier kunnen we dus weer een interessante vergelijking doen.
Eén wervel De resultaten van de simulatie met één strekkende wervel zijn weergegeven in figuur 5.19 en tabel 5.3. In tabel 5.3 zijn de centrumvorticiteit van de primaire wervel
Wc en de u-snelheid ter plekke van het centrum van de primaire wervel Uc voor een aantal punten x gegeven. Dit is gedaan voor zowel de strekkende stromingssituatie ( '1/Jz =/= 0) als de algemene stromingssituatie ( '1/Jz = 0) van § 5.1.1. De contourplots van de algemene stromingssituatie zijn gegeven in figuur 5.1 op pagina 47.
Wanneer we de contourplots van beide simulaties vergelijken zien we dat het algemene beeld van de stroming ongeveer overeenkomt: ook met een versnellende hoofdstroom ontstaat een secundaire wervel en wandvorticiteit. Het traject van de primaire en secundaire wervel komt ook ongeveer overeen, de strekkende wervels blijven uiteraard dichter bij de wand door de instroming van bovenaf. Verder is de verhouding tussen de vorticiteit van de primaire en secundaire wervel in beide stromingssituaties ongeveer gelijk.
Deinstroming veroorzaakt uiteraard ook verschillen tussen figuren 5.1 en 5.19:
• De straal van de strekkende wervel( s) is duidelijk kleiner, vooral naarmate de si-mulatie langer duurt. Waar de straal van de primaire wervel in de algemene stro-mingssituatie door diffusie in de loop van x groter wordt, wordt deze in geval van wervelstrekking juist kleiner. Ook nu vindt er dus duidelijk wervelstrekking plaats.