This Ph.D. thesis belongs to the research field of experimental study of more or less laminarized jets in still air. In the past, the existence of an initial region where the flow velocity doesn’t vary significantly in spite of the interaction with the surrounding air has been demonstrated. The length of this region has been linked to the Reynolds number based on the initial hydraulic diameter of the jet. In the present work, an analogous experimental study concerning methane diffusion flames in still air produced by a wind tunnel (with grids which damp turbulence) and a simple pipe (with the same exit diameter) has been carried on, in order to estimate the influence of initial turbulence level on fluid dynamics. Both the wind tunnel and the pipe are tapered in order to study the behavior of the flames when the methane jet suddenly interacts with the ambient air. We also intend to emphasize the effect of the thickness of the sheet of the slot of the wind tunnel at the exit, so a straight slot (without tapering) and a tapered slot will be used. The flames will be filmed with a digital cam recorder, and their height, the length of the undisturbed region and, in the case of lifted flames, the distance between the flame base and the slot exit will be estimated. This work will end with a spectrum analysis of the sound produced by the flames in order to show the influence of the Reynolds number on the acoustic emission. The thesis is composed of three chapters. In the first one, the structure of air jets in air at rest and of diffusion and lifted flames will be described. At the end of the chapter, a short introduction to acoustics of jets will made. In the second chapter, the whole experimental apparatus will be described. The attention will mainly be focused on the gas plant and on the project of the wind tunnel. In the third chapter, the results relative to the wind tunnel with the tapered tip and the simple pipe (also tapered) and to the straight slot of the wind tunnel will be presented, analyzed and compared. As a conclusion, the results will be summarized and a few developments of the present work will be proposed.

Questa tesi di dottorato si colloca nel filone delle ricerche sperimentali condotte su getti più o meno laminarizzati che sfogano in aria stagnante. In passato, si è dimostrata l’esistenza di una regione iniziale del getto nella quale la velocità non varia significativamente malgrado l’azione frenante dell’aria circostante. L’estensione di questa regione indisturbata è stata collegata al numero di Reynolds basato sul diametro idraulico iniziale del getto. Nel presente lavoro si intende condurre un analogo studio concernente fiamme diffusive di metano in aria stagnante originatesi sia da un bruciatore provvisto di griglie che abbattono la turbolenza (mini galleria a vento) sia di cannello che ne è privo, in modo da valutare l’influenza sulla fluidodinamica e sulla combustione del contenuto iniziale di turbolenza del getto. Sia la mini galleria che il cannello presenteranno una rastremazione in punta, in modo da studiare il comportamento del getto nel caso di immediata interazione con l’aria ambiente. Si intende inoltre fare un confronto delle caratteristiche delle fiamme al variare dello spessore della lamiera dello slot, per cui verranno impiegati con la mini galleria uno slot dritto ed uno rastremato. Le fiamme saranno riprese con una videocamera e verrà fatta una stima al variare del numero di Reynolds della loro lunghezza, della lunghezza della regione indisturbata e, nel caso di fiamme staccate, della distanza tra la loro base e l’orifizio dal quale il metano sfoga in aria. Si concluderà questo studio con un’analisi spettrale del rumore emesso dalle fiamme in modo da valutare le loro caratteristiche acustiche al variare del numero di Reynolds. La tesi si articola in tre capitoli. Nel primo verranno descritte la struttura dei getti d’aria in aria stagnante e quella delle fiamme diffusive e di quelle staccate. Si concluderà questa parte con una breve analisi dell’acustica dei getti. Nel secondo capitolo verrà fatta una presentazione dell’intero apparato sperimentale usato, partendo innanzitutto dall’impianto del gas da noi realizzato, per poi entrare nei dettagli della progettazione del bruciatore. Nel terzo capitolo si presenteranno i risultati ottenuti per il bruciatore ed il cannello con lo slot rastremato da una parte, e quelli relativi agli slot dritto e rastremato impiegati con la mini galleria dall’altra, e se ne farà l’analisi, mettendo in risalto le differenze tra gli oggetti studiati. Si concluderà la tesi riassumendo quanto visto circa l’influenza del numero di Reynolds, della presenza o meno degli abbattitori di turbolenza e dello spessore della lamiera sulla struttura delle fiamme e sulla loro emissione sonora. Si suggeriranno infine alcuni sviluppi del lavoro svolto.

Ciparisse, J. (2009). Studio fluidodinamico ed acustico di fiamme diffusive di metano in aria stagnante.

Studio fluidodinamico ed acustico di fiamme diffusive di metano in aria stagnante

CIPARISSE, JEAN FRANCOIS
2009-08-31

Abstract

Questa tesi di dottorato si colloca nel filone delle ricerche sperimentali condotte su getti più o meno laminarizzati che sfogano in aria stagnante. In passato, si è dimostrata l’esistenza di una regione iniziale del getto nella quale la velocità non varia significativamente malgrado l’azione frenante dell’aria circostante. L’estensione di questa regione indisturbata è stata collegata al numero di Reynolds basato sul diametro idraulico iniziale del getto. Nel presente lavoro si intende condurre un analogo studio concernente fiamme diffusive di metano in aria stagnante originatesi sia da un bruciatore provvisto di griglie che abbattono la turbolenza (mini galleria a vento) sia di cannello che ne è privo, in modo da valutare l’influenza sulla fluidodinamica e sulla combustione del contenuto iniziale di turbolenza del getto. Sia la mini galleria che il cannello presenteranno una rastremazione in punta, in modo da studiare il comportamento del getto nel caso di immediata interazione con l’aria ambiente. Si intende inoltre fare un confronto delle caratteristiche delle fiamme al variare dello spessore della lamiera dello slot, per cui verranno impiegati con la mini galleria uno slot dritto ed uno rastremato. Le fiamme saranno riprese con una videocamera e verrà fatta una stima al variare del numero di Reynolds della loro lunghezza, della lunghezza della regione indisturbata e, nel caso di fiamme staccate, della distanza tra la loro base e l’orifizio dal quale il metano sfoga in aria. Si concluderà questo studio con un’analisi spettrale del rumore emesso dalle fiamme in modo da valutare le loro caratteristiche acustiche al variare del numero di Reynolds. La tesi si articola in tre capitoli. Nel primo verranno descritte la struttura dei getti d’aria in aria stagnante e quella delle fiamme diffusive e di quelle staccate. Si concluderà questa parte con una breve analisi dell’acustica dei getti. Nel secondo capitolo verrà fatta una presentazione dell’intero apparato sperimentale usato, partendo innanzitutto dall’impianto del gas da noi realizzato, per poi entrare nei dettagli della progettazione del bruciatore. Nel terzo capitolo si presenteranno i risultati ottenuti per il bruciatore ed il cannello con lo slot rastremato da una parte, e quelli relativi agli slot dritto e rastremato impiegati con la mini galleria dall’altra, e se ne farà l’analisi, mettendo in risalto le differenze tra gli oggetti studiati. Si concluderà la tesi riassumendo quanto visto circa l’influenza del numero di Reynolds, della presenza o meno degli abbattitori di turbolenza e dello spessore della lamiera sulla struttura delle fiamme e sulla loro emissione sonora. Si suggeriranno infine alcuni sviluppi del lavoro svolto.
A.A. 2007/2008
Ingegneria dell'energia-ambiente
21.
This Ph.D. thesis belongs to the research field of experimental study of more or less laminarized jets in still air. In the past, the existence of an initial region where the flow velocity doesn’t vary significantly in spite of the interaction with the surrounding air has been demonstrated. The length of this region has been linked to the Reynolds number based on the initial hydraulic diameter of the jet. In the present work, an analogous experimental study concerning methane diffusion flames in still air produced by a wind tunnel (with grids which damp turbulence) and a simple pipe (with the same exit diameter) has been carried on, in order to estimate the influence of initial turbulence level on fluid dynamics. Both the wind tunnel and the pipe are tapered in order to study the behavior of the flames when the methane jet suddenly interacts with the ambient air. We also intend to emphasize the effect of the thickness of the sheet of the slot of the wind tunnel at the exit, so a straight slot (without tapering) and a tapered slot will be used. The flames will be filmed with a digital cam recorder, and their height, the length of the undisturbed region and, in the case of lifted flames, the distance between the flame base and the slot exit will be estimated. This work will end with a spectrum analysis of the sound produced by the flames in order to show the influence of the Reynolds number on the acoustic emission. The thesis is composed of three chapters. In the first one, the structure of air jets in air at rest and of diffusion and lifted flames will be described. At the end of the chapter, a short introduction to acoustics of jets will made. In the second chapter, the whole experimental apparatus will be described. The attention will mainly be focused on the gas plant and on the project of the wind tunnel. In the third chapter, the results relative to the wind tunnel with the tapered tip and the simple pipe (also tapered) and to the straight slot of the wind tunnel will be presented, analyzed and compared. As a conclusion, the results will be summarized and a few developments of the present work will be proposed.
strutture coerenti; emissione sonora; regione indisturbata; fiamme diffusive; fiamme staccate; turbolenza; lunghezza di fiamma; spazio di distacco; strato limite; mescolamento
Settore ING-IND/10 - Fisica Tecnica Industriale
Settore ING-IND/08 - Macchine a Fluido
it
Tesi di dottorato
Ciparisse, J. (2009). Studio fluidodinamico ed acustico di fiamme diffusive di metano in aria stagnante.
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