เจ็ตที่หมุดควงในกระแสลมขวาง : การศึกษาด้วยโฟลวิชชวลไลเซชัน

Abstract

งานวิจัยนี้ศึกษาคุณลักษณะและโครงสร้างการผสม (mixed fluid) ของเจ็ตในกระแสลมขวางและเจ็ตหมุนควงในกระแสลมขวางแบบความเร็วตามแนวเส้นสัมผัส และ Circulation ไม่เป็นศูนย์โดยการวิเคราะห์ทางภาพถ่ายที่ได้จากแสงที่กระเจิงมาจากอนุภาค (mie scattering) ในการทดลองจะให้ความร้อนกับเจ็ตอากาศ แล้วทำการฉีดน้ำยาสร้างควันเข้าไปผสมกับอากาศร้อนจนน้ำยากลายเป็นไอและฉีดลำเจ็ตอากาศผสมน้ำยานั้นไหลขึ้นมาตั้งฉากกับกระแสลมขวางที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เจ็ตอากาศผสมน้ำยาดึงเอากระแสลมขวางและเย็นตัวลง จึงส่งผลให้น้ำยาสร้างควันเกิดการกลั่นตัวกลับกลายเป็นอนุภาคเล็กๆ (product formation) เมื่อใช้ laser sheet ฉายไปบริเวณลำเจ็ตที่กำลังพัฒนาตัวนั้น แสงเลเซอร์จะกระเจิงจากอนุภาคควันทำให้สามารถถ่ายภาพโครงสร้างของอนุภาคเล็กๆ (mixed fluid) ได้ การทดลองนี้ทำที่ค่า Swirl ratio (Sr) ตั้งแต่ 0 ถึง 0.80 และ ที่อัตราส่วนความเร็วประสิทธิผลคงที่ที่ 4.13 โดยมีค่า Reynolds number ของเจ็ต Re[subscript j] ประมาณ 14,000 และ Reynolds number ของกระแสลมขวาง Re[subscript cf] ประมาณ 4,600 โดยถ่ายภาพทั้ง 3 view คือ end view, top view และ side view ซึ่งครอบคลุมบริเวณใกล้ปากเจ็ต และ ไกลปากเจ็ต สำหรับกรณีเจ็ตในกระแสลมขวาง เมื่อพิจารณาหน้าตัด top view ของภาพขณะใดๆจะพบ Azimuthal structure ของ mixed fluid ที่เรียงตัวกันเป็นวงแหวนรอบๆปากเจ็ต โดยพบ Kelvin-Helmholtz (K-H) vortical roll-up อย่างชัดเจนทางด้านข้างของเจ็ต ในภาพขณะใดๆตั้งแต่หน้าตัด y/rd = 0.05 ในขณะที่จะยังไม่พบเห็น structure ดังกล่าวในภาพเฉลี่ยจนกว่าจะถึงหน้าตัด y/rd = 0.15 และพบบริเวณ unmixed core ที่ทุกหน้าตัด สำหรับหน้าตัด end view เมื่อพิจารณาภาพขณะใดๆ พบ vortical roll-up ทางด้านข้างบริเวณใกล้ปากเจ็ต และเมื่อพิจารณาภาพเฉลี่ยพบ mixed fluid มากทางด้านข้างและด้านล่าง เมื่อเปรียบเทียบกับด้านบน ในขณะเดียวกันจะมีบริเวณ unmixed core ทำให้โครงสร้าง mixed fluid มีรูปร่างคล้ายเกือกม้า โดยพัฒนาใหญ่ขึ้นจนเห็นเป็น CVP ที่หน้าตัดไกลออกไป สำหรับกรณีเจ็ตหมุนควงในกระแสลมขวางที่หน้าตัด top view เมื่อพิจารณาภาพขณะใดๆ พบ Azimuthal structure ซึ่งมีลักษณะเป็น Kelvin-Helmholtz (K-H) vortical roll-up ของ mixed fluid และปริมาณ mixed fluid ที่ไม่สมมาตรโดยปรากฏ ทางด้าน pressure มากกว่าด้าน suction นอกเหนือจากนั้น ยังพบ local peak ของ mixed fluid และturbulent intensity ที่มีค่าสูงทางด้าน pressure ด้วย เมื่อพิจารณาภาพขณะใดๆที่หน้าตัด end view พบการ roll-up ของ vortical structure ทางด้านข้าง สำหรับภาพเฉลี่ยนั้น พบ local peak ของ mixed fluid ทั้งสองฝั่ง ในขณะที่ค่าสูงสุดนั้นจะอยู่ฝั่ง pressure และตำแหน่งของค่าสูงสุดยังตรงกับบริเวณที่เกิดการ roll-up ของ vortical structure นอกจากนั้นยังพบว่า ผลของการหมุนควงทำให้เส้นทางการเดินของเจ็ตจะต่ำลง และบริเวณ unmixed core สั้นลง เมื่อพิจารณาผลการทดลองสำหรับเจ็ตในกระแสลมขวางที่มีการหมุนควงแบบ NZT/NZC พบว่า การผสมทางด้าน pressure จะดีกว่าทางด้าน suction ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าเป็นผลของ Initial tangential velocity profile ที่ก่อให้เกิด shear layer ที่มี strength สูงทางด้าน pressure มากกว่าด้าน suction จึงสามารถดึง(Entrain)เอา crossflow fluid เข้ามาผสมทางด้าน pressure ได้ดีกว่าและยังก่อให้เกิดความปั่นป่วนที่สูงกว่าด้วย (promote turbulence intensity)