Factors influencing non-circular ring vortex motion

Non-circular ring vortices are innately unstable, giving rise to a range of new phenomena. Here we report on our and Heertsch's 1] experiments in which vortices were generated at rectangular holes and nozzles with aspect ratios 2<<20. Different piston histories were also used. For forestrokes alone we were able to confirm the typical non-splitting motion of the primary vortex. On introducing a backstroke following the forestroke even for values of as low as 2 — values which should not give rise to splitting vortices — vortices could be made to split into 2, 3 or 4 secondary vortices. For cases where they rejoined the process was significantly different to that predicted by theory 2]. For 3 for a nozzle geometry the splitting angle is extremely sensitive to the stroke (length) so long as splitting takes place, whereas for 9>>5 the splitting angle tends to become independent of the stroke. This sensitivity on the stroke is reduced for vortices generated at a hole geometry. For all cases investigated here the splitting angle seems to be relatively insensitive to the Reynolds number. Vortices generated at hole geometries also tend to be less stable than those generated at tube geometries. Finally, the dependence of the splitting angle on the stroke length only scales with the nozzle breadth for 7>>5.

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Sommario Vortici ad anello non circolari sono intrinsecamente instabili e danno luogo ad una gamma di nuovi fenomeni. In questo articolo vengono riportati gli esperimenti degli Autori e di Heertsch in cui sono generati vortici in ugelli e fori rettangolari con rapporti geometrici =2÷20. Sono state anche usate differenti storie del moto del pistone. Nel caso in cui si usi solo la corsa in avanti si è stati capaci di confermare il moto tipico del vortice primario senza divisione del vortice stesso. Introducendo una corsa inversa, subito dopo la corsa in avanti, persino per pari circa a 2 — valore in cui il vortice non si dovrebbe dividere — i vortici si potevano dividere in due, tre o quattro vortici secondari. Nei casi in cui si verificava la riconnessione, l'evoluzione del processo era molto differente rispetto alla teoria. Per <3, per una data geometria dell'ugello, l'angolo di separazione è estremamente sensibile alla lunghezza della corsa, mentre per =5÷9 l'angolo di separazione tende a diventare indipendente dalla corsa. Questa sensibilità è ridotta per vortici generati in fori. In tutti i casi l'angolo di separazione sembra abbastanza indipendente dal numero di Reynolds. Vortici generati in corrispondenza di fori tendono ad essere meno stabili di quelli generati in ugelli. Infine, la dipendenza dall'angolo di separazione sulla lunghezza della corsa scala con l'ampiezza dell'ugello solamente per =5÷7.