CFD simulation of Jet and Vortex Actuators (JaVA) with and without cross flow boundary layer

Abstract

In the present study an active flow control actuator is studied numerically. This type of actuator was first studied experimentally by Lachowicz et al. and called “Jet and Vortex Actuator” (JaVA). This kind of active flow control actuator produces different flow fields depending upon the frequency and the scaled amplitude of the imposed oscillation. Thus, it can be used to produce different net reactions, like vertical jets, wall jets, or a vortex flow. The actuator under consideration consists of a cavity and a rigid plate which serves as the actuation surface. The actuator plate acts like a piston pumping air out of the cavity on the down stroke and sucking air into the cavity on the upstroke. Different cases are selected for validation of the simulations. Our simulations yield the unsteady flow field, whereas only time-averaged data are available from literature. Thus, our simulations provide extra details of the flows through the gaps intended for a better understanding of the actuator flow. Qualitative and quantitative comparisons of the time-averaged data with the experiments are very encouraging. Especially, the different flow regimes appear for the same parameters as in the experiments. Different parameters like cavity depth and plate position relative to the cavity upper wall and compressibility effects are also studied. In the present work we also presented a modified design in order to improve and understand flow mechanisms. In this new design the horizontal plate is stationary and a vertical plate inside the cavity moves left and right to push fluid through the narrow and wide gap alternatively. Interestingly, in this new design like in the original, once again we get different flow modes like vertical jet, angled jet, vortex and wall jet but from the narrow gap. Different parameters like cavity depth and gap widths and plate position relative to the cavity upper wall are also studied. Relations between different nondimensional parameters like Reynolds number, Stokes number, Strouhal number and scaled amplitude and their effect upon the flow field are also presented in detail. In the present work 3D results are also presented for the modified design. It was found that strong 3D end effects are present. The flow field is completely different for 2D and 3D simulations. For the same set of parameters in 2D we get a very nice vortex as where in 3D we get a vertical jet. We also presented results with a cross-flow boundary layer for 2D cases of original and modified design with different orientations of gaps with respect to the cross-flow. It was found that configuration-2 in the original design in which the narrow gap comes first to the cross flow and the wide gap later, is more effective with respect to increasing the flow momentum close to the wall and in controlling the boundary layer. For the 3D modified design with the cross flow boundary layer two different gap orientations with respect to the oncoming flow are used. In the first configuration the gaps are oriented across the flow with the wide gap coming first and the narrow later. In the second configuration the gaps are oriented along the boundary layer. In the 3D case this second configuration turns out to be the most effective with respect to increasing the flow momentum close to the wall, such that this kind of actuator can be used for boundary layer (separation) control. For the present investigations the commercial CFD-software FLUENT is used for flow calculation and visualization. The accompanying grid-generation software GAMBIT is used for geometry specification and grid generation.

In der vorliegenden Studie wird ein Aktuator für die aktive Strömungskontrolle numerisch untersucht. Erste experimentelle Untersuchungen zu dem betrachteten „Jet and Vortex Actuator“ (JaVA) wurden von Lachowicz et. al. durchgeführt. Abhängig von der gewählten Frequenz und normierten Amplitude der erzwungenen Oszillation lassen sich unterschiedliche Strömungsbilder erzeugen. So ist es beispielsweise möglich, vertikale oder wandanliegende Strahlen sowie Wirbelströmungen zu erzeugen. Der Aufbau des Aktuators besteht aus einem Hohlraum und einer ebenen Platte, welche als Aktuatoroberfläche dient. Die Funktionsweise ähnelt der eines Kolbens. Bewegt sich die Platte nach unten, so wird Luft aus dem Hohlraum herausgeblasen, bewegt sie sich nach oben, so wird Luft angesaugt. Für die Validierung der Simulationen werden verschiedene Testfälle betrachtet. In der vorliegenden Arbeit werden instationäre Strömungsfelder berechnet, während der Literatur bisher nur zeitlich gemittelte Daten zu entnehmen sind. Daher ermöglichen unsere Simulationen einen detaillierteren Einblick in die Strömungsbedingungen durch die Spalten und damit in die Funktionsweise des gesamten Aktuators. Sowohl qualitative als auch quantitative Vergleiche mit den zeitlich gemittelten Daten aus dem Experiment stimmen sehr zuversichtlich. Im Besonderen werden gute Übereinstimmungen der verschiedenen Strömungsbilder in Abhängigkeit der gewählten Parameter fest gestellt. Zusätzlich werden weitere Parameter, wie die Tiefe des Hohlraumes und die Relativposition der Platte zur Hohlraumoberfläche, untersucht. In der vorliegenden Arbeit wird zusätzlich ein modifiziertes Design zur Verbesserung des Stömungsfeldes und unseres Verständnisses von ihm präsentiert. Das neue Design besteht aus einer festen, horizontalen Platte und einer nach links und rechts verschiebbaren vertikalen Platte darunter, welche das Fluid alternativ durch eine schmale oder breite Spalte drückt. Interessanter Weise stellen sich für dieses veränderte Design wieder verschiede Strömungsbilder wie vertikaler oder angewinkelter Freistrahl, Wirbel oder wandnaher Strahl ein, jedoch diesmal vom schmalen Schlitz aus. Verschiedene Parameter wie Hohlraumtiefe, Schlitzbreite und Plattenposition werden auch für diesen Fall untersucht. Die Zusammenhänge zwischen den unterschiedlichen dimensionslosen Parametern wie Reynolds-, Stokes- oder Strouhalzahl sowie der normierten Amplitude und ihr Einfluss aus das Strömungsfeld werden detailliert dargestellt. Zudem werden für das modifizierte Design auch 3D Ergebnisse gezeigt. Es wurden starke 3D-Einflüsse auf das Strömungsfeld festgestellt. Das gesamte Strömungsbild unterscheidet sich von den simulierten 2D-Fällen. So stellt sich beispielsweise für gegebene Parameter im 2D-Fall eine Wirbelströmung ein während im 3D-Fall ein vertikaler Freistrahl beobachtet wird. Ausserdem zeigen wir 2D-Ergebnisse mit einer Grenzschicht mit Querströmung für das ursprüngliche und das modifizierte Design für verschiedene Relativpostionen der Schlitze zur Querströmung. Es zeigt sich, dass bei Konfiguration 2, bei der der schmale Schlitz in Strömungsrichtung zuerst kommt, effizienter im Hinblick auf die Erhöhung des Strömungsimpulses nahe der Wand und damit auch im Hinblick auf die Grenzschichtkontrolle ist. Für den modifizierten 3D-Fall mit Grenzschicht mit Querströmung werden zwei unterschiedliche Schlitzorientierungen relativ zur Anströmung verwendet. Bei der ersten Konfiguration sind die Schlitze quer zu Anströmung ausgerichtet, wobei der breite Schlitz zuerst kommt und der schmale dahinter. Bei der zweiten Konfiguration sind die Schlitze parallel zur Grenzschicht angeordnet. Im 3D-Fall erweist sich die zweite Konfiguration als effektiver beim Impulstransport zur Wand hin und damit auch für die Grenzschicht- (Ablöse-) Kontrolle. Die vorliegende Arbeit wurde mit dem kommerziellen CFD-Softwarepaket FLUENT für die Strömungssimulation und Visualisierung durchgeführt. Das dazugehörige Gittergenerierungsprogramm GAMBIT wurde für die Geometrieerstellung und Gittererstellung verwendet.