@PhDThesis{Manco:2020:StChSu,
author = "Manco, Jhonatan Andr{\'e}s Aguirre",
title = "Stability characteristic of subsonic binary axisymmetric coaxial
jets",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2020",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2019-11-06",
keywords = "binary coaxial jets, hydrodynamic stability, Euler equation, high
order numerical simulation, jatos coaxiais bin{\'a}rio,
estabilidade hidrodin{\^a}mica, equa{\c{c}}{\~o}es de Euler,
simula{\c{c}}{\~a}o de alta ordem.",
abstract = "The performance of combustion systems in gas turbines and rocket
engines depend strongly on the proper injection and mixing between
fuel and oxidizer. The injection of propellants in these systems
is performed using shear coaxial injectors that define the
physical initial conditions for the combustion process. The
hydrodynamic instabilities formed by the coaxial shear injector
allow the mixing between the propellants through vorticity created
by the instability of the shear layers. This work had as main
objective the understanding of the stability characteristics of
axisymmetric coaxial jets composed of different gases,
specifically hydrogen and oxygen. To analyze the stability
characteristics of coaxial binary jets the Linear Stability Theory
(LST) and High Order Simulation (HOS) approaches were used. The
LST has shown that the cases where the hydrogen was used as
species in the inner jet H2 \− O2 the amplification rates
of Mode II are larger than the homogeneous coaxial jet, contrarily
to what happens in O2 \− H2 configuration. This agreed with
the previous studies in a binary mixing layer, in which when the
heavier species is in the lower velocity stream the amplification
rates are larger, and vice versa. However For Mode I, the binary
mixing layer results can not be extrapolated for a coaxial binary
jet, once the confinement effect, caused by the finite quantity of
species that can be placed in the inner jet, plays an important
role. Using a low Mach number formulation, the compressible
effects were neglected with the intention to show in the Less and
Lin equation (compressible Rayleigh equation) where is the role of
the species in the stability properties, which was called inertial
effects. This formulation together with the compressible
formulation also allows understanding the compressible effects
caused by the different speed of sound of the species. Using High
Order Simulations (HOS) of the Euler equation as second way to
analyses the stability characteristics of coaxial binary jets, the
main results of the LST were simulated in order to view different
effects neglected by this theory, as: nonlinearities as modes
interact, the used of realistic velocity and species profiles not
based on canonical equations for the base flow and the
visualization of the growth of the instabilities. RESUMO: O
desempenho dos sistemas de combust{\~a}o em turbinas a g{\'a}s e
motores foguete depende fortemente da inje{\c{c}}{\~a}o e
mistura adequadas entre o combust{\'{\i}}vel e o oxidante. A
inje{\c{c}}{\~a}o dos propelentes nesses sistemas {\'e}
realizada usando injetores coaxiais de cisalhamento, os quais
definem as condi{\c{c}}{\~o}es iniciais para o processo de
combust{\~a}o. As instabilidades hidrodin{\^a}micas formadas
pelo injetor de cisalhamento coaxial permitem a mistura entre os
propelentes por meio da vorticidade gerada pela instabilidade das
camadas de cisalhamento. Este trabalho tem como objetivo principal
o entendimento das caracter{\'{\i}}sticas de estabilidade de
jatos coaxiais axissim{\'e}tricos compostos por diferentes gases,
especificamente hidrog{\^e}nio e oxig{\^e}nio. Para analisar as
caracter{\'{\i}}sticas de estabilidade dos jatos bin{\'a}rios
coaxiais, foram utilizadas as abordagens da Teoria da Estabilidade
Linear (LST) e Simula{\c{c}}{\~a}o num{\'e}rica de Alta Ordem
(HOS). O LST mostrou que os casos em que o hidrog{\^e}nio foi
usado como esp{\'e}cie no jato interno H2-O2 as taxas de
amplifica{\c{c}}{\~a}o do Modo II s{\~a}o maiores que o jato
coaxial homog{\^e}neo, ao contr{\'a}rio do que acontece na
configura{\c{c}}{\~a}o do O2-H2. Isto concordou com os estudos
anteriores realizados em camadas de mistura bin{\'a}ria, nos
quais quando as esp{\'e}cies mais pesadas est{\~a}o na corrente
de velocidade mais baixa, as taxas de amplifica{\c{c}}{\~a}o
s{\~a}o maiores e vice-versa. No entanto, no Modo I, os
resultados da camada de mistura bin{\'a}ria n{\~a}o podem ser
extrapolados para um jato bin{\'a}rio coaxial, uma vez que o
efeito de confinamento, causado pela quantidade finita de
esp{\'e}cies que podem ser colocadas no jato interno, desempenha
um papel importante. Usando uma formula{\c{c}}{\~a}o de Mach
baixo, os efeitos compress{\'{\i}}veis foram desprezados com a
inten{\c{c}}{\~a}o de mostrar na equa{\c{c}}{\~a}o de Less e
Lin (equa{\c{c}}{\~a}o de Rayleigh compress{\'{\i}}vel) onde
est{\'a} o papel das esp{\'e}cies nas caracter{\'{\i}}sticas
de estabilidade, chamados de efeitos inerciais. Esta
formula{\c{c}}{\~a}o, juntamente com a formula{\c{c}}{\~a}o
compress{\'{\i}}vel, tamb{\'e}m permitiu compreender os efeitos
compress{\'{\i}}veis causados pelas diferentes velocidades do
som das esp{\'e}cies. Utilizando simula{\c{c}}{\~o}es de alta
ordem (HOS) das equa{\c{c}}{\~o}es de Euler como segunda maneira
de analisar as caracter{\'{\i}}sticas de estabilidade de jatos
bin{\'a}rios coaxiais, foram simulados os principais resultados
do LST para visualizar diferentes efeitos desprezados por essa
teoria, como: n{\~a}o linearidades como a itera{\c{c}}{\~a}o
entres os modos, o uso de um perfil de velocidade mais realista ,
perfis de esp{\'e}cies n{\~a}o baseados em equa{\c{c}}{\~o}es
can{\^o}nicas para o escomento base e a visualiza{\c{c}}{\~a}o
do crescimento das instabilidades.",
committee = "Mendon{\c{c}}a, M{\'a}rcio Teixeira de (presidente/orientador)
and Fachini Filho, Fernando and Savonov, Roman Ivanovitch and
Cavalieri, Andr{\'e} Valdetaro Gomes and Souza, Leandro Franco
de",
englishtitle = "Caracter{\'{\i}}sticas de estabilidade de jatos coaxiais
bin{\'a}rios subs{\^o}nicos e axissim{\'e}tricos",
language = "en",
pages = "112",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/3UFNTF2",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/3UFNTF2",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "18 abr. 2024"
}