Experimental study on the flow interaction between two synthetic jets emanating from a dual-orifice

Abstract

Multiple orifice synthetic jet devices are becoming widely utilized for active flow control and jet impingement cooling, due to its mixing performance resulting from the vortices and jet interaction. Therefore, understanding the flow interaction between multiple synthetic jets is crucial in maximizing the potential for many industrial applications. In the present study, an experimental investigation on flow interaction between two synthetic jets generated from a dual-orifice device is performed. The influence of the orifice spacing (s/D = 1.2, 2.0, and 3.0) and the dimensionless stroke length (L0/D = 13.7, 19.0, and 28.3) is analyzed at a fixed Reynolds number of Re0 = 3700. Phase-locked particle image velocimetry (PIV) is used to obtain time- and phase-averaged flow fields. The jet interaction is enhanced as the orifice spacing and the dimensionless stroke length decrease, resulting in shorter distances for the merging and combining points. In addition, the inner vortices between the two jets are deformed and cancelled due to the jet interaction, which leads to the inner and outer vortices merging into a single vortex. The vortex interactions and merging are delayed as the orifice spacing increases, while the advection speed of vortices is increased without change of flow structure as the dimensionless stroke length increases.

합성 제트 장치는 내부의 작동 유체를 오리피스를 통해 내보내면서 와류 고리를 포함한 펄스 제트를 생성한다. 이는 총 질량 변화 없이 모멘텀을 발생시킬 수 있어 유체 공급을 위한 파이프 등이 불필요하며, 연속 제트에 비해 높은 확산율을 가지기 때문에 능동 유동 제어와 제트 충돌 냉각 등 다양한 응용분야에 쓰이고 있다. 최근에는 다중 합성 제트를 사용해 모멘텀 생성과 혼합을 증대시킴으로써 응용분야에서의 효율이 향상됨이 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 두 합성제트 간 유동 상호작용 연구를 통해 합성 제트의 응용 가능성을 극대화하고자 한다. 실험 유동은 듀얼 오리피스 - 단일 공동 합성 제트에서 생성하였으며, 고정된 레이놀즈 수 조건에서 다양한 제트간 거리와 무차원화된 스트로크 길이에 대해 수행했다. 평균 유동장과 위상 분해 유동장의 계측은 위상 동기 PIV를 사용해 수행되었다. 제트간 거리가 감소하고 무차원화된 스트로크 길이가 감소함에 따라 두 합성제트간 상호작용이 증대되면서, 시간 평균 된 제트 중심속도의 빠른 감소와 확산이 발생하였다. 동시에 오리피스 사이 대칭축 상의 유속이 빠르게 증가하여 두 제트의 접촉 위치와 결합 위치가 가까워짐이 관찰되었다. 구동 주기 동안 오리피스에서 방출된 내부의 와류는 서로 상호작용하면서 유동방향으로의 변형을 거쳐 대부분 상쇄되며 이윽고 외부의 와류를 추월하면서 소산하였고, 남아있는 각 제트의 외부 와류는 새로운 와류 쌍을 형성하여 진행함이 관찰되었다. 와류간 상호작용은 제트간 거리가 가까워짐에 따라 더 이른 시점에 오리피스 가까이에서 발생하였으며, 스트로크 길이가 증가함에 따라 와류 상호작용의 유동 형태는 변하지 않았으나, 강화된 후행 제트의 영향으로 전체적인 거동이 빠르게 진행됨을 보였다.