Turbulent jet flows with buoyancy and swirl

Übersicht Das gleichzeitige Auftreten von Auftrieb und Drall in vertikalen, runden, turbulenten Freistrahlen wird mit einer Integralmethode untersucht. Durch Hinzunahme der Bewegungs- und Energiegleichung an der Strahlachse kann auf die Verwendung eines empirischen Entrainmentkoeffizienten verzichtet werden. Es zeigt sich, daß zwischen Druck- und Axialgeschwindigkeitsprofilen eine ganz bestimmte Beziehung bestehen muß, um unrealistische Singularitäten im Strömungsfeld zu vermeiden. Die Beziehung wird durch Meßergebnisse annähernd bestätigt. Der Einfluß des Dralls auf alle Strömungsgrößen ist in der Nähe des Ursprungs am stksten. Eine Zunahme der dimensionslosen Drallzahl bewirkt eine starke Aufwertung des Strahls mit 180° Öffnungswinkel im Ursprung und eine Abnahme der axialen Geschwindigkeit. Im Grenzfall sehr hoher Drallzahlen entsteht eine neue Strahlströmung, die als drallbehafteter, auftriebserzeugter Strahl bezeichnet wird. Stromabwärts klingen die Dralleffekte rasch ab und Auftriebseffekte nehmen an Bedeutung zu. Das asymptotische Verhalten entspricht einem auftriebserzeugten Strahl (plume).

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Turbulent jet flows with buoyancy and swirl

Summary Vertical, round, turbulent jets with combined effects of buoyancy and swirl are investigated by an integral method. The method avoids application of an empirical entrainment coefficient by including the differential equations of motion and energy at the jet axis. It is shown that pressure and velocity profiles have to be related to each other in order to avoid unrealistic singularities in the flow field. This relationship is approximately confirmed by measurements. With respect to all flow quantities, the influence of swirl is felt strongest near the origin. Increasing the dimensionless swirl number strongly increases the width of the jet (with infinite derivative at the origin) and decreases the axial velocity. In the limiting case of very high swirl numbers a new type of jet flow is found which can be called a swirling plume. Further, downstream swirl effects decay rapidly and buoyancy becomes relatively more important. The asymptotic behaviour resembles that of a plume.