Turbulence generated by an array of opposed piston-driven synthetic jet actuators

K. Yamamoto, T. Watanabe, K. Nagata
Turbulence generated by an array of opposed piston-driven synthetic jet actuators
Experiments in Fluids, 63 35 2022

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Abstract

This paper investigates turbulence generated by an array of opposed piston-driven synthetic jet actuators in a closed chamber. Each actuator intermittently generates supersonic jets with four orifice holes, and the interaction of 32 supersonic jets produces turbulence. Velocity measurement is conducted with particle image velocimetry using oil mist as the tracer particles, which are internally generated by the synthetic jet actuators. The turbulence with a small mean velocity is generated at the central region of the chamber, where the root-mean-square (rms) velocity fluctuations are also almost uniform in space. The rms velocity fluctuations around the chamber center are about 1.2 times larger in the jet direction than in other directions. The strongly intermittent nature of supersonic synthetic jets causes large-scale intermittency of turbulence. The turbulent Reynolds number and turbulent Mach number reach O(10^3) and O(10^−2), respectively, at the chamber center. Although the turbulent Mach number at the chamber center is not large, the generation process of turbulence due to the supersonic jets is strongly influenced by compressibility. Therefore, density variations exist in turbulence, where the shadowgraph image exhibits the brightness distribution with a characteristic length scale related to the Kolmogorov scale. The shape of longitudinal velocity auto-correlation functions and the relation between the turbulent Reynolds number and velocity derivative flatness agree well with previous studies on incompressible turbulence.

日本語訳 (DeepL翻訳)

対向するピストン駆動式のシンセティックジェットアクチュエータアレイにより生成された乱流

本論文では，密閉されたチャンバー内に配置された対向するピストン駆動型シンセティックジェットアクチュエータによって発生する乱流を調査した．各アクチュエータは4つのオリフィス孔を持つ超音速ジェットを間欠的に発生させ、32個の超音速ジェットの相互作用により乱流を発生させる。速度計測は、シンセティックジェットアクチュエータが内部で発生させるオイルミストをトレーサー粒子として、粒子画像流速計で行う。チャンバー中央部では平均流速の小さい乱流が発生し、二乗平均平方根（rms）速度変動も空間的にほぼ一様であることがわかる。チャンバー中心付近のrms速度変動は、ジェット方向が他の方向より約1.2倍大きい。超音速シンセティックジェットの強い間欠性は、乱流の大規模な間欠性を引き起こす。チャンバー中心部では乱流レイノルズ数、乱流マッハ数がそれぞれO(10^3)、O(10^-2)に達している。チャンバー中心部の乱流マッハ数は大きくないが、超音速噴流による乱流の発生過程は圧縮性の影響を強く受ける。そのため、乱流には密度変動が存在し、シャドウグラフ画像はコルモゴロフスケールに関連した特徴的な長さスケールを持つ輝度分布を示す。縦断速度自己相関関数の形状、乱流レイノルズ数と速度微分平坦度の関係は、非圧縮性乱流に関する先行研究とよく一致している。

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