Experiments on passive scalar mixing in turbulent flows with different velocity- and scalar-field boundary conditions

An experimental investigation of the influence of the large-scale features of turbulent flows on the mixing of a passive scalar therein is presented. Given the direct relationship between the large scales of turbulent flows and the geometrical configuration of the flow, two distinct sets of experiments are conducted in which the dependence of the scalar mixing on the (i) scalar- and (ii) velocity-field boundary conditions is studied. The first set of experiments is conducted in the plane wake downstream of a circular cylinder. To vary the scalar-field boundary conditions, while maintaining a hydrodynamically identical flow field, two different heat injection mechanisms are employed. First, a heating element is embedded within the cylinder that generates the hydrodynamic wake. When the element is energized, the wake is therefore heated by means of a "heated cylinder." Second, an array of fine, Nichrome wires is installed downstream of the cylinder. This configuration, known as a "mandoline," has been demonstrated to have a negligible influence on the velocity field, due to the small diameter of the wires. Using this apparatus, multiple velocity and passive-scalar statistics are examined. The measurements suggest that certain small-scale statistics may be contaminated by the large-scale features of the scalar field. Consequently, it is of interest to determine why such statistics exhibit these dependencies. In particular, the passive scalar structure functions, and their inertial-convective-range scaling exponents, along with the mixed velocity-temperature structure functions and the (non-centered) autocorrelations of the dissipation rate of scalar variance are employed to obtain quantitative estimates of the internal intermittency of the passive scalar field. It is revealed that the high-order passive scalar structure function scaling exponents display a significant difference when comparing the results generated using different heat injection mechanisms. Upon examination of the kurtosis structure functions of the temperature difference, the present work suggests that passive scalar structure function scaling exponents exhibit a dependence on the scalar-field boundary conditions due to the finite (and different) Péclet numbers of the flows under consideration — an effect that is significantly less prominent in the measurements of the mixed velocity-temperature structure functions and the (non-centered) autocorrelations of the dissipation rate of scalar variance. The second set of experiments consists of a study of the scalar field downstream of a concentrated line source within a fully-developed, high-aspect-ratio channel flow. However, unlike previous dispersion measurements employing concentrated sources, the current research employs a line source oriented in the direction of the inhomogeneity of the velocity field. Consequently, the resulting wake downstream of the line source is statistically three-dimensional. In such an arrangement, the velocity field at each wall-normal position is different, since the velocity field in the current configuration is solely a function of the wall-normal distance. The resultant mixing is studied using a variety of statistics, including the mean and root-mean-square temperature distributions, probability density functions of the temperature fluctuations, as well as the (turbulent) intensity of the scalar fluctuations. These results are contrasted with prior transverse dispersion measurements in which the scalar dispersion remains statistically two-dimensional, in an attempt to elucidate the effect of the velocity-field boundary conditions. The findings suggest that both the mean flow shear and turbulence intensity of the velocity field play an important role in determining the mixedness of the scalar field.Une étude expérimentale de l'effet des caractéristiques à grandes-échelles des écoulements turbulents sur le mélange d'un scalaire passif y est présentée. Étant donné la relation directe entre les grandes échelles des écoulements turbulents et la configuration géométrique de l'écoulement, deux ensembles d'expériences distincts sont menés dans lesquels la dépendance du mélange d'un scalaire sur les conditions limites du (i) champ scalaire et (ii) champ de vitesse est étudiée. Le premier ensemble d'expériences est réalisé dans le sillage d'un cylindre circulaire. Pour varier les conditions limites du champ scalaire, tout en gardant le même écoulement hydrodynamique, deux mécanismes d'injection de chaleur différents sont utilisés. Premièrement, un élément chauffant est incorporé dans le cylindre qui génère le sillage hydrodynamique. Lorsque l'élément est mis sous tension, le sillage est donc chauffé au moyen d'un « cylindre chauffé ». Deuxièmement, un ensemble de fils fins est installé en aval du cylindre. Cette configuration, connue sous le nom de « mandoline, » s'est avérée d'avoir une influence négligeable sur le champ de vitesse, en raison du faible diamètre des fils. Par conséquent, l'une des deux configurations peut être utilisée pour chauffer le sillage, sans modifier le champ de vitesse, et de nombreuses statistiques du champ scalaire et du champ de vitesse sont examinées. En particulier, les fonctions de structure du champ scalaire (et leurs exposants d'échelle), ainsi que les fonctions de structure mixte vitesse-température et les autocorrélations (non-centrées) du taux de dissipation de la variance scalaire, sont utilisées pour obtenir des estimations quantitatives de l'intermittence interne du champ scalaire. Il est conclu que les exposants d'échelle des fonctions de structure du champ scalaire passif présentent une différence importante lorsque l'on compare les résultats obtenus en utilisant de différents mécanismes d'injection de chaleur. Lorsque l'on examine les fonctions de structure du coefficient d'aplatissement de la différence de température, ce mémoire suggère que les exposants d'échelle des fonctions de structure démontrent une dépendance aux conditions limites du champ scalaire en raison des nombres de Péclet finis (et différents) des écoulements étudiés — un effet qui est nettement moins important dans les fonctions de structure mixte vitesse-température et les autocorrélations du taux de dissipation de la variance scalaire.Le deuxième ensemble d'expériences consiste d'une étude du champ scalaire en aval d'une source concentrée linéaire dans un écoulement de canal pleinement développé, ayant un rapport hauteur-largeur élevé. Contrairement à des mesures de dispersion précédentes utilisant des sources concentrées, ce travail emploie une source linéaire orientée dans la direction de l'inhomogénéité du champ de vitesse. Par conséquent, le panache thermique créé par la source linéaire est (statistiquement) tridimensionnel. Dans une tel configuration, le champ de vitesse à chaque distance du mur est différent, puisque le champ de vitesse dans la configuration actuelle est uniquement une fonction de la distance du mur. Le mélange du scalaire passif est étudié en utilisant une variété de statistiques, incluant la moyenne et la moyenne quadratique du champ de température, des fonctions de densité de probabilité des fluctuations de température, ainsi que l'intensité (turbulent) des fluctuations scalaires. Ces résultats (i) exposent les différences entre ces mésures et celles de dispersion transverse, dans lesquelles la dispersion du scalaire reste statistiquement bidimensionel, et (ii) facilitent l'élucidation des effets des conditions limites du champ de vitesse sur le mélange d'un scalaire passif. Les résultats suggèrent que le cisaillement de l'écoulement moyen et l'intensité turbulent du champ de vitesse jouent un rôle important dans la détermination du niveau de mélange du champ scalaire