Utilization of Decomposition Techniques for Analyzing and Characterizing Flows

Abstract

This thesis presents the utilization of two different decomposition techniques, proper orthogonal decomposition (POD) and dynamic mode decomposition (DMD), for enhanced understanding of flow structures and their stability. The advantages of these techniques are shown for a range of flow situations, most of which are turbulent. It is shown that by these methods additional insight into complex flow situations can be gained. Such insight has been found to be needed for the flow in straight and 90 degree curved pipes. The so-called swirl switching phenomenon is investigated, which is a large scale oscillation of the flow after the bend. This phenomenon is classified into a low frequency and a high frequency switching, each with its own mechanism of formation. It is shown that while the low frequency switching stems from very-large-scale motions created in the upstream pipe, the high frequency switching results from the bend itself, making it an inherent property of the system.



The second set of studies consider swirling flow in combustor-related geometries, using both high and low swirl levels. These investigations show highly energetic unsteady structures in the strongly vortical regions. The spatial symmetry of these flow modes reflect the level of confinement. While the vortices that are weakly confined show unsteady modes reflecting their displacement, the strongly confined vortices show low-order multipole deformations. For the low swirl burner, which is the only reacting flow considered, the flame is stabilized without the presence of vortex breakdown. To be able to investigate how the flame is anchored above the burner, an extended version of DMD (EDMD) is introduced, which helps to couple the flow with the flame. Using this method, a mechanism contributing to the flame stabilization is isolated.



The third and final set of studies involve flow around cylinders and beams. These objects are flexible and respond to the forces that the flow exerts on them. For the flow around cylinders, which are connected to a spring system, the natural frequency of the spring-cylinder system and the frequency from the von Karman vortex shedding are the two a priori known frequencies of the system. Three different flow regimes are considered, one where the two frequencies are similar, giving resonance, and two cases where one frequency is far above/below the other. For flow around a single cylinder, an unexpected high energy low frequency mode is found off-resonance, which is argued to contribute greatly to the chaotic behaviour for the case with the loose spring. For a multiple cylinder array, while the strong low frequency mode found for the single cylinder case has been suppressed, an unexpected synchronization is seen. Considering the flow around a stiff and a flexible beam, a strong beat frequency is found for the lift force. While the beating is seen to be regular for the flexible beam, it appears intermittently for the stiff beam. The flow behaviour giving rise to this forcing is elucidated using the POD and DMD analyses.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vetskap om strömning av vätskor och gaser är viktigt i dagens samhälle, vilket inkluderar transport i rör, förbränning, och flödesinducerade vibrationer. På grund av sin flyktiga form är möjligheten att kontrollera flöden i diverse applikationer begränsad. Strömning kan vara väldigt svårt att beskriva och kategorisera, speciellt då höga hastigheter är inblandade. Hastigheten i olika punkter i flödet är oftast väldigt oförutsägbar, och detta får stora konsekvenser när man vill blanda eller transportera olika substanser. Ett karakteristiskt inslag hos flöden med höga hastigheter är uppkomsten av virvlar och liknande strukturer av olika storlekar. Ett visst synsätt kan leda till att behandla olika strukturer som individuella delar, vars summa innefattar hela flödet. Detta är alltså ett försök att underlätta situationen genom att först dela upp flödet, för att sedan analysera de individuella delarna. Tillsammans med slumpmässiga strukturer kan det också uppstå flödesmönster som upprepar sig periodiskt, eller nästan periodiskt, varje fall inom ett visst tidsintervall. Dessa återkommande mönster är ofta stora och energirika, och kan ha ett dominerande inflytande på flödet i stort. Till exempel kan de ge upphov till en ökad friktion och energiförlust för rörflöde, eller till att inducera storskaliga tryckoscillationer i gasturbiner. För att kunna definiera och utvärdera olika flödesmönster krävs robusta metoder, vilka bör baseras på vettiga fysikaliska kriterier. Detta skulle kunna innefatta energirika strukturer, eller strukturer som oscillerar med en enda frekvens.



Denna avhandling syftar till att undersöka och karakterisera storskaliga strukturer för flöden i olika typer av situationer. I första hand hanteras ett fall med ett inkommande turbulent flöde till ett 90 graders krökt rör. Fallet riktar sig mot att förklara ett fenomen, kallat 'swirl switching', där någon form av storskalig rotation eller deformation av flödet sker nedströms om kröken. Resultat från numeriska studier visar på en koppling mellan detta fenomen och långa energirika flödesformationer som bildas uppströms, i det raka röret. Andra fall som också har behandlats involverar starkt roterande strömning, från inlopp till utlopp, vilket ger flödespartiklar som rör sig i en spiralform. Dessa strömningar har en tendens att sakta ner flödet, och t.o.m. orsaka hastigheter i riktning mot inloppet. Detta bidrar i sin tur till starka strukturer, vilka får möjlighet att byggas upp i stället för att transporteras nedströms. Denna typ av flöde, med en hög rotationsnivå, används flitigt för att stabilisera flammor i befintliga gasturbiner. En annan typ av flamstabilisering, vilket härstammar från ett nyare koncept, bygger på en låg rotationsnivå. Eftersom hastighetsändringarna för dessa flöden är lägre, har man lyckats skapa stabila flammor med låg temperatur, som dessutom svävar en bra bit över brännaren. Detta kan däremot vara en väldigt känslig uppsättning, med en flamma som lätt blåser iväg. En mekanism som hjälper till att förankra flamman har isolerats, och presenteras i denna avhandling. Till sist har vakflöden för strömning kring olika objekt studerats, där objekten har förflyttats/deformerats som svar på krafter från flödet. Fallen behandlar strömning kring en cylinder fastspänd i fjädrar, en uppsättning av fyra cylindrar fastspända i fjädrar, och en balk som är fastspänd i ena änden. Olika strukturer har extraherats, och fysikaliska förklaringar har lagts fram.

• author: Carlsson, Christian
• supervisor: Laszlo Fuchs
• opponent: Professor Sörensen, Jens, DTU, Denmark
• organization: Fluid Mechanics
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Energy Engineering
• keywords: Decomposition techniques, Proper orthogonal decomposition, Dynamic mode decomposition, Extended dynamic mode decomposition, Swirl switching, Swirling flow, Low swirl burner, Fluid-structure interaction
• pages: 123 pages
• defense location: Lecture hall M:A, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University, Faculty of Engineering (LTH)
• defense date: 2014-11-07 10:15:00
• ISBN: 978-91-7623-152-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 07ccee5a-e3f9-429a-a89a-1a7c9068943b (old id 4697497)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:58:22
• date last changed: 2018-11-21 21:11:36