Passive control of jet flows using lobed nozzle geometries

Contrôle passif des jets par des buses de soufflage à géométries lobées.

LEPTAB, University of La Rochelle, Avenue Michel Crépeau 17042 La Rochelle Cedex 01, France

Corresponding author: inastase@univ-lr.fr

Received: 1 September 2006
Accepted: 23 January 2007

Abstract

Passive control of the entrainment phenomenon in the turbulent jets is a mixing enhancement economical method of wide interest in the industrial field. A lobed nozzle without lobes inclinations allows improving mixing in the generated flow compared to a reference circular jet. A second lobed nozzle, having the same exit plane geometry but with inclined lobes intensifies, in a considerable manner, the entrainment which reaches up to four times the one in the reference circular jet. The lobed jets vortical dynamics analysis shows that the azimuthal structures are not annular like in the case of a circular jet, but discontinuous, due to the shear of the transverse flow induced by the curvature variation of the exit plane. The streamwise structures development at the discontinuities locations is probably explaining the entrainment benefit observed in the lobed jet without inclination angles. The lobed jet issued from the second nozzle presents like the first lobed jet, discontinuous azimuthal structures, but its remarkable induction benefit is not merely owed to the previous phenomenon. The intensification and organisation of the streamwise vorticity field into large scale structures, resulting in a consequent mixing enhancement, are connected to the increased shear produced by the lobes inclinations.

Résumé

Le contrôle passif de l'auto-induction des jets turbulents est un moyen de mélange peu coûteux qui intéresse un large domaine industriel. Une buse lobée droite, permet d'améliorer le mélange du jet qui en est issu, par rapport à un jet circulaire de référence. Une seconde buse lobée de même plan de soufflage et à lobes inclinés, intensifie de façon considérable l'auto-induction qui atteint jusqu'à quatre fois celle du jet circulaire de référence. L'analyse de la dynamique tourbillonnaire, montre que les structures azimutales des jets lobés ne sont pas annulaires comme dans un jet circulaire, mais discontinues en raison du cisaillement de l'écoulement transversal généré par la variation du rayon de courbure du plan de soufflage. L'épanouissement des structures longitudinales aux points de discontinuités explique probablement le gain d'induction observé dans le jet lobé droit. Le jet lobé issu de la buse à frontière inclinée, présente comme le précédent des structures azimutales discontinues mais le gain d'induction important qui le caractérise n'est pas dû uniquement à ce phénomène. L'intensification et l'organisation du champ de vorticité longitudinale en structures de grande échelle, conduisant à une intensification conséquente du mélange, sont liées à l'accroissement du cisaillement provoqué par les inclinaisons.