T. Mori, T. Watanabe, K. Nagata 
Nearly homogeneous and isotropic turbulence generated by the interaction of supersonic jets 
Experiments in Fluids, 65 947 2024

This article may be found at https://doi.org/10.1007/s00348-024-03764-6.

Accepted manuscript is available here. 
This version is free to view and download for private research and study only. 

Abstract

This study reports the development and characterization of a multiple-supersonic-jet wind tunnel designed to investigate the decay of nearly homogeneous and isotropic turbulence whose generation process is strongly influenced by fluid compressibility. The interaction of 36 supersonic jets generates turbulence that decays in the streamwise direction. The velocity field is measured with particle image velocimetry by seeding tracer particles with ethanol condensation. Various velocity statistics are evaluated to diagnose decaying turbulence generated by the supersonic jet interaction. The flow is initially inhomogeneous and anisotropic and possesses intermittent large-scale velocity fluctuations. The flow evolves into a statistically homogeneous and isotropic state as the mean velocity profile becomes uniform. In the nearly homogeneous and isotropic region, the ratio of root-mean-squared velocity fluctuations in the streamwise and vertical directions is about 1.08, the longitudinal integral scales are also similar in these directions, and the large-scale intermittency becomes insignificant. The turbulent kinetic energy per unit mass decays according to a power law with an exponent of about 2, larger than those reported for incompressible grid turbulence. The energy spectra in the inertial subrange agree well with other turbulent flows when normalized by the turbulent kinetic energy dissipation rate and kinematic viscosity. The non-dimensional dissipation rate Cε is within a range of 0.56–0.87, which is also consistent with incompressible grid turbulence. The dependence of Cε on the turbulent Reynolds number aligns with the scaling of non-equilibrium turbulence, leading to the large decay exponent.

日本語訳 (DeepL翻訳)

日本語タイトル

本研究では、流体圧縮性の影響を強く受けるほぼ一様で等方的な乱流の減衰を調べるために設計された複数超音速ジェット風洞の開発と特性評価について報告する。36個の超音速ジェットの相互作用により、流れ方向に減衰する乱流が発生する。トレーサー粒子をエタノール凝縮液で添加し、速度場を粒子画像流速計で測定した。超音速噴流の相互作用によって発生する減衰性乱流を調べるために，さまざまな速度統計量を評価した．流れは初期には非一様で異方的であり、間欠的な大規模な速度変動を持っている。平均速度分布が一様になるにつれて、流れは統計的に均質で等方的な状態に発展する。ほぼ均質で等方的な領域では、流れ方向と鉛直方向の速度変動の二乗平均平方根の比は約1.08であり、縦方向の積分スケールもこれらの方向で同様であり、大規模な 間欠性は重要でなくなる。単位質量あたりの乱流運動エネルギーは、非圧縮性格子乱流で報告されたものよりも大きい、指数約2のべき乗則に従って減衰する。慣性領域におけるエネルギースペクトルは、乱流運動エネルギー散逸率と動粘性率で正規化すると、他の乱流とよく一致する。無次元散逸率Cεは0.56-0.87の範囲にあり、これも非圧縮性格子乱流と一致する。Cεの乱流レイノルズ数依存性は非平衡乱流のスケーリングと一致し、大きな減衰指数をもたらした。

K. Inokuma, T. Maeda, T. Watanabe, K. Nagata
Diaphragmless shock tube with multiple air-operated valves
Experiments in Fluids, 63 121 2022

This article may be found at https://doi.org/10.1007/s00348-022-03473-y.

Accepted manuscript is available here. 
This version is free to view and download for private research and study only. 

Abstract

In this study, a novel diaphragmless shock tube driven by a driver valve system consisting of multiple air-operated valves was developed. The novel shock tube can generate shock waves with high repeatability, which are required for statistical investigations of shock waves. The main valve of the driver valve system is opened by decompressing the air in the sub-high-pressure room behind the main valve using “sub-valves”; this results in a shock wave formation inside the shock tube. Three different driver valves (driver valve with “a single solenoid sub-valve,” “a single air-operated sub valve,” and “three air-operated sub-valves”) were developed. For each of the three driver valves, the overpressure waveforms of the shock waves were measured with pressure sensors installed on the inner wall of the shock tube and in front of the open end of the shock tube. Furthermore, the shock Mach number was calculated from the overpressure behind the shock waves. The shock Mach number was the largest for the driver valve with the air-operated sub-valve(s). The standard deviation of the peak overpressure fluctuations of the shock waves ejected from the open end of the shock tube was the smallest for the driver valve with the three air-operated sub valves. From the results, it was observed that the quick opening time of the main valve realized by the multiple sub-valves increased the shock wave strength and improved the repeatability of the shock wave generation.

日本語訳 (DeepL翻訳)

複数の空気駆動バルブを持つ隔膜レス衝撃波管

本研究では，複数の空気作動バルブで構成されるドライバーバルブ系で駆動する新しい隔膜レス衝撃波管 を開発した。この新型衝撃波管は、衝撃波の統計的調査に必要とされる高い再現性で衝撃波を発生させることができる。ドライバーバルブシステムのメインバルブは、メインバルブ後方のサブ高圧室内の空気を「サブバルブ」で減圧することで開かれ、その結果、衝撃波管内に衝撃波が形成さ れる。今回、3種類のドライバーバルブ（「電磁サブバルブ1個」「空圧サブバルブ1個」「空圧サブバルブ3個」のドライバーバルブ）を開発した。3つの駆動弁それぞれについて，衝撃波管の内壁と開放端の前に設置した圧力センサで衝撃波の過剰圧波形を測定した．さらに、衝撃波の背後の過剰圧から、衝撃マッハ数を算出した。衝撃マッハ数は，駆動弁と空気作動副弁の組み合わせで最も大きくなった。また，衝撃波管の開放端から噴出する衝撃波のピーク過圧変動の標準偏差は，3つの空圧サブバルブを備えたドライババルブで最も小さくなった。この結果から，複数のサブバルブによって実現される主弁の迅速な開弁は，衝撃波の強度を高め，衝撃波発生の再現性を向上させることが確認された。

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

Accepted manuscript is available here. 
This version is free to view and download for private research and study only. This article may be found at https://doi.org/10.1007/s00348-021-03351-z.

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。

K. Aruga, T. Watanabe, K. Nagata
Color contamination correction based on light intensity correlation in two-color, double-exposure particle tracking velocimetry
Experiments in Fluids, 61 142 2020

Accepted manuscript is available here. 
This version is free to view and download for private research and study only. 

This article may be found at https://doi.org/10.1007/s00348-020-02964-0.

Abstract

An algorithm for correcting color contamination is proposed for two-color, double-exposure particle tracking velocimetry (PTV). A two-color PTV system used in this study consists of blue and green laser diodes and a consumer digital camera, where a laser pulser with an avalanche transistor is developed for achieving optical pulses of 50 ns for application in airflows. In the PTV, the camera captures images of tracer particles illuminated by a sequence of green and blue light pulses with a certain time interval. Because of spectral characteristics of a Bayer filter, camera sensors in a blue channel respond to green light scattered by the particles. This color contamination results in pseudo-particles in the blue channel. Pixels occupied by the pseudo-particles have very high correlation of light intensity between green and blue channels. In the proposed method, the pseudo-particles caused by the color contamination are detected and removed based on the high correlation. The present color contamination correction hardly affects real particles illuminated by the blue laser diodes. Measurements of an airflow induced by DC fans confirm that the proposed system with the color contamination correction works well for PTV.

日本語訳 (DeepL翻訳)

二色二重露光粒子追跡速度計測における輝度相関に基づく色彩汚染補正法

二色二重露光粒子追跡速度計測法（PTV）のための色汚染補正アルゴリズムが提案されている。本研究で用いた二色PTVシステムは、青と緑のレーザーダイオードと民生用デジタルカメラで構成され、気流中での利用を考慮して、50nsの光パルスを達成するためにアバランシェトランジスタを用いたレーザーパルサーが開発された。PTVでは、緑色と青色の光パルスを一定時間間隔で照射したトレーサー粒子の画像をカメラで撮影する。ベイヤーフィルターの分光特性により、青色チャンネルのカメラセンサーは粒子によって散乱された緑色光に反応する。この色汚染により、青色チャンネルに擬似粒子が発生する。この擬似粒子が存在する画素は、緑チャンネルと青チャンネルの光強度の相関が非常に高く、擬似粒子が存在する画素は、緑チャンネルと青チャンネルの光強度の相関が高い。提案手法では、この高い相関を利用して、色混入による疑似粒子を検出し、除去する。この色ずれ補正により、青色レーザーダイオードに照射された実際の粒子にはほとんど影響がない。また、DCファンによる気流計測の結果、本方式がPTVに有効であることが確認された。

H. Sakakibara, T. Watanabe, K. Nagata
Supersonic piston synthetic jets with single/multiple orifice
Experiments in Fluids 59(5) 76 2018

Accepted manuscript is available here. 
This version is free to view and download for private research and study only. 

This article may be found at https://doi.org/10.1007/s00348-018-2529-9.

Abstract

We experimentally study a high-speed synthetic jet actuator consisting of a cylinder with an orifice plate at the top and a piston driven by a motor. The experiments are performed for four orifice plates with a single hole or multiple holes with different diameters. The characteristics of the synthetic jets are investigated with cylinder pressure measurement and flow visualization based on the shadowgraph method, where the Mach disks in the shadowgraph images are used for estimating the Mach number of supersonic synthetic jets. A total orifice area on the plate affects cylinder pressure and jet Mach number. The number of the orifices has a direct influence on the downstream region where the jets from different orifices interact with each other. A smaller total orifice area results in a higher jet Mach number, a larger spatial extent of Mach disks, and an earlier formation of the Mach disks in one cycle. The influences of total orifice area are well explained by larger/smaller values of maximum/minimum values of the cylinder pressure for a smaller total orifice area. It is also found that the maximum jet Mach number is represented as a function of the maximum cylinder pressure even for different orifice configurations. Furthermore, for a given operating frequency, the maximum cylinder pressure increases almost linearly with the stroke length divided by an effective diameter of the total orifice area independently of the number of the orifices.

日本語訳 (DeepL翻訳)

シングル/マルチオリフィスを有する超音速ピストンシンセティックジェット

上部にオリフィスプレートを持つシリンダーと、モーターで駆動されるピストンからなる高速シンセティックジェットアクチュエータを実験的に調査した。実験は、単一の穴または直径の異なる複数の穴を持つ4つのオリフィスプレートに対して行われる。シンセティックジェットの特性は、シリンダ圧力の測定とシャドウグラフ法に基づく流れの可視化によって調べられ、シャドウグラフ画像中のマッハディスクは超音速シンセティックジェットのマッハ数を推定するために使用されている。プレート上のオリフィス面積は、シリンダ圧と噴流マッハ数に影響を与える。オリフィスの数は，異なるオリフィスからの噴流が相互作用する下流域に直接影響を与える．オリフィス面積が小さいほど，噴流マッハ数が高くなり，マッハディスクの空間的広がりが大きくなり，1 サイクルでのマッハディスクの形成が早くなる．総オリフィス面積の影響は、総オリフィス面積が小さいほどシリンダ圧力の最大値/最小値が大きくなる/小さくなることでよく説明される。また、最大噴流マッハ数は、オリフィス形状が異なる場合でも、最大シリンダ圧の関数として表されることがわかった。さらに、ある動作周波数において、最大シリンダ圧力は、オリフィスの数に関係なく、ストローク長を全オリフィス面積の有効直径で割るとほぼ直線的に増加することがわかった。

T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima, T. Kubo
Simultaneous measurements of reactive scalar and velocity in a planar liquid jet with a second-order chemical reaction
Experiments in Fluids 53 1369-1383 2012

Accepted manuscript is available here. 
This version is free to view and download for private research and study only.

This article may be found at https://doi.org/10.1007/s00348-012-1365-6. 

Abstract

This paper presents a new experimental approach for simultaneous measurements of velocity and concentration in a turbulent liquid flow with a chemical reaction. For the simultaneous measurements, we developed a combined probe consisting of an I-type hot-film probe and an optical fiber probe based on the light absorption spectrometric method. In a turbulent planar liquid jet with a second-order chemical reaction A+B->R, streamwise velocity and concentrations of all reactive species are measured by the combined probe. The turbulent mass fluxes of the reactive species are estimated from the simultaneous measurements. The results show that the influence of the chemical reaction on the turbulent mass flux of the reactant species near the jet exit is different from its influence in other regions, and the turbulent mass flux of the product species has a negative value near the jet exit and a positive value in other regions.

日本語訳 (DeepL翻訳)

2次化学反応を伴う平面液体噴流中の反応スカラーと速度の同時測定

本論文では、化学反応を伴う乱流液体流の速度と濃度の同時計測のための新しい実験手法を紹介する。同時計測のために，光吸収分光法に基づくI型ホットフィルムプローブと光ファイバープローブを組み合わせた複合プローブを開発した．2次化学反応 A+B->R を伴う乱流平面液体ジェットにおいて、複合プローブにより、すべての反応種の流速と濃度を測定した。また，乱流中の活性種の質量フラックスを同時計測から推定した．その結果、化学反応が噴流出口付近の反応種の乱流質量流束に与える影響は他の領域と異なり、生成種の乱流質量流束は噴流出口付近で負の値を持ち、他の領域で正の値を持つことがわかった。