MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798382722214
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31242168
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a620
■1001  ▼aTinklenberg,  Amy.
■24510▼aExperimental  Investigation  of  Disks  Settling  in  Quiescent  and  Turbulent  Air
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Minnesota▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a127  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-11,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Coletti,  Filippo;Guala,  Michele.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Minnesota,  2024.
■520    ▼aWe  experimentally  investigate  the  settling  of  millimeter-sized  disks  in  quiescent  air  and  in  homogeneous  turbulence,  as  turbulence  can  have  a  strong  effect  on  the  fall  speed  of  snowflakes  and  ice  crystals.  The  range  of  physical  parameters  is  chosen  to  be  relevant  to  plate  crystals  settling  in  the  atmosphere:  Disks  range  in  diameter  from  0.3  to  3  mm,  with  diameter-to-thickness  aspect  ratios  of  χ  =  5  −  60,  inertia  ratios  of  I  ∗  ≈  O(1),  and  Reynolds  numbers  from  Re  =  10  −  663.  Both  solid  and  perforated  disk  geometries  are  considered,  with  area  ratios  in  the  range  AR  =  0.73  −  1.  Velocity  fluctuations  of  the  turbulence  are  comparable  to  the  disk  terminal  velocities.  Thousands  of  trajectories  are  captured  and  reconstructed  for  each  disk  type  by  planar  high-speed  imaging,  using  the  method  developed  by  Baker  &  Coletti  (J.  Fluid  Mech.,  vol.  943,  2022,  A27).  This  allows  for  statistical  analysis  of  the  translational  dynamics  in  2D  and  the  rotational  dynamics  in  3D.In  quiescent  air,  most  disks  either  fall  straight  vertically  with  their  maximum  projected  area  normal  to  gravity  or  tumble  while  drifting  laterally  at  an  angle  20°.  Two  of  the  three  disk  sizes  considered  exhibit  bimodal  behavior,  with  both  non-tumbling  and  tumbling  modes  occurring  with  significant  probabilities,  which  stresses  the  need  for  a  statistical  characterization  of  the  process.  The  smaller  disks  (1  mm  in  diameter,  Re  =  96)  have  stronger  tendency  to  tumble  than  the  larger  disks  (3  mm  in  diameter,  Re  =  360),  at  odds  with  the  diffused  notion  that  Re  =  100  is  a  threshold  below  which  falling  disks  remain  horizontal.  Larger  fall  speeds  (and  thus  smaller  drag  coefficients)  are  found  with  respect  to  existing  correlations  based  on  experiments  in  liquids,  demonstrating  the  role  of  the  density  ratio  in  setting  the  vertical  velocity.  The  data  supports  a  simple  scaling  of  the  rotational  frequency  based  on  the  equilibrium  between  drag  and  gravity,  which  remains  to  be  tested  in  further  studies  where  disk  thickness  and  density  ratio  are  varied.Air  turbulence  reduces  the  disk  terminal  velocities  by  up  to  35%,  with  the  largest  diameters  most  significantly  influenced,  which  is  primarily  attributed  to  drag  nonlinearity.  This  is  evidenced  by  large  lateral  excursions  of  the  trajectories,  which  correlate  with  cross-flow-induced  drag  enhancement  as  previously  reported  for  falling  spheres  and  rising  bubbles.  As  the  turbulent  intensity  is  increased,  flat-falling  behavior  is  progressively  eliminated  and  tumbling  becomes  prevalent.  The  rotation  rates  of  the  tumbling  disks,  however,  remain  similar  to  those  displayed  in  still  air.  This  is  due  to  their  large  moment  of  inertia  compared  to  the  surrounding  fluid,  in  stark  contrast  with  studies  conducted  in  water.  In  fact,  the  observed  reduction  of  settling  velocity  is  opposite  to  previous  findings  on  disks  falling  in  turbulent  water.  This  emphasizes  the  importance  of  the  solid-to-fluid  density  ratio  in  analogous  experiments  that  aim  to  mimic  the  behavior  of  frozen  hydrometeors.The  velocities  estimated  by  the  empirical  model  of  Heymsfield  &  Westbrook  (2010)  for  both  the  solid  and  perforated  geometries  match  quite  well  with  the  measured  velocities  in  quiescent  air,  with  an  average  error  of    20%.  This  model  consistently  underestimates  the  terminal  velocities,  but  is  an  improvement  on  the  estimates  from  Bohm  (1989).  The  perforated  disk  geometries  experience  a  velocity  reduction  due  to  the  turbulence,  of  similar  magnitude  to  the  solid  disk.  A  stabilizing  effect  due  to  the  perforations  is  present  for  the  four  quadrant  and  single  hole  geometries,  which  manifests  as  a  larger  percentage  of  steady  falling  trajectories  than  for  the  solid.  This  result  is  robust  in  quiescent  air  and  homogeneous  turbulence.  In  turn,  lateral  motion  induced  by  the  turbulent  forcing  is  less  than  for  the  solid  disk.  A  distinct  bimodality  is  present  for  the  angular  velocity  of  the  solid  disk,  directly  correlated  to  the  falling  style.  In  the  perforated  case,  the  tumbling  angular  velocity  measured  is  half  of  that  for  the  solid  disk,  and  thus  becomes  indistinguishable  from  the  angular  velocity  in  a  fluttering  descent.
■590    ▼aSchool  code:  0130.
■650  4▼aFluid  mechanics
■650  4▼aMechanical  engineering
■653    ▼aVelocity  fluctuations
■653    ▼aDisk  terminal  velocities
■653    ▼aHomogeneous  turbulence
■653    ▼aBimodal  behavior
■653    ▼aTranslational  dynamics
■690    ▼a0204
■690    ▼a0548
■71020▼aUniversity  of  Minnesota▼bAerospace  Engineering  and  Mechanics.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-11B.
■790    ▼a0130
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17161325▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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