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Erschienen in: Experiments in Fluids 4/2019

01.04.2019 | Research Article

Instability modes of millimeter-scale supersonic jets

verfasst von: Fernando Zigunov, Prabu Sellappan, Farrukh Alvi

Erschienen in: Experiments in Fluids | Ausgabe 4/2019

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Abstract

The appearance of instability modes on subsonic and supersonic impinging jets is a phenomenon of great interest that has been observed in jets produced by nozzles of different sizes. The present study describes these instabilities in millimeter-sized supersonic jets produced by convergent and convergent–divergent nozzles (\(D_\mathrm{throat} = 2 \hbox { mm}\)). The smaller nozzle sizes allowed for a comprehensive parametric study involving 378 impingement distance values between \(H{/}D=0.5\) and \(H{/}D=9.9\), as well as 30 nozzle pressure ratio values for both nozzles, totaling a set of more than 22,000 experiments. The detailed resolution on the impingement distance parameter allowed for the observation of acoustic resonant tones that alternate between two or three distinct frequency bands. It was observed that very small changes in the impingement distance (\(\Delta H{/}D \le 0.5\)) are sufficient for resonant mode switching, which is related to the instability mode switching phenomenon. The complementary high-speed schlieren images, captured for a set of 36 cases, allowed for the effective observation and classification of the jet resonant modes via feature tracking. A correlation between the resonant mode shape (helical or axisymmetric) and the resonant tone was clearly observed and quantified. Further experiments with high-resolution schlieren images showed the shape of the acoustic waves produced, connecting the acoustic wave packets with the production of shear layer instabilities. In the helical instability mode, it was possible to observe what appears to be a helix-shaped acoustic wave.

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Literatur
Zurück zum Zitat Neuwerth G (1974) Acoustic feedback of a subsonic and supersonic free jet which impinges on an obstacle. NASA TT F-15719 Neuwerth G (1974) Acoustic feedback of a subsonic and supersonic free jet which impinges on an obstacle. NASA TT F-15719
Zurück zum Zitat Powell A (1953) On edge tones and associated phenomena. Acustica 3(4):233–243 Powell A (1953) On edge tones and associated phenomena. Acustica 3(4):233–243
Zurück zum Zitat Tabeling P (2005) Introduction to microfluidics. Oxford University Press, Oxford Tabeling P (2005) Introduction to microfluidics. Oxford University Press, Oxford
Zurück zum Zitat Wagner F (1971) The sound and flow field of an axially symmetric free jet upon impact on a wall. NASA technical translation, National Aeronautics and Space Administration Wagner F (1971) The sound and flow field of an axially symmetric free jet upon impact on a wall. NASA technical translation, National Aeronautics and Space Administration
Metadaten
Titel
Instability modes of millimeter-scale supersonic jets
verfasst von
Fernando Zigunov
Prabu Sellappan
Farrukh Alvi
Publikationsdatum
01.04.2019
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Experiments in Fluids / Ausgabe 4/2019
Print ISSN: 0723-4864
Elektronische ISSN: 1432-1114
DOI
https://doi.org/10.1007/s00348-019-2707-4

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