Digital control of pre-turbulent flows in a Taylor-Couette device

Abstract

Transition to turbulence is one of the oldest problems yet to be solved in physics and engineering. Certain fluid systems are known to undergo a laminar-turbulent transition through a deterministic route of laminar flows of increasing complexity. For nearly a century, the Taylor-Couette flow between two coaxial cylinders, each rotating independently, has been the paradigm of this type of route to turbulence. The aim of this work is to reconstruct a Taylor-Couette machine and to design a digital closed-loop control system in order to obtain some object-of-study flows. The initial stage of the project consisted in recovering a very old Taylor-Couette machine that had been stored for over twenty-five years. The next step was to design software and interface electronics to control the rotations of the two cylinders. This has opened a wide variety of experiments that were almost impossible to perform in the old version. The new control system is accurately programmed to act very slowly, so the process by which the cylinders arrive to the desired velocity is quasi static. This gives full control over the flow regimes studied and also robustness in terms of the noises to which the system is subjected. Observed states include Taylor vortices, wavy vortices, modulated wavy vortices, laminar spirals, interpenetrating spirals, modulated interpenetrating spirals, spiral turbulence, a flow with intermittent turbulent spots and various combinations of these flows. The documented experiments are given as functions of the inner and outer cylinder Reynolds numbers, Ri and Ro respectively. In all explored cases, the results are in very good agreement with earlier experiments and with theoretical computational predictions and simulations.

La transición hacia la turbulencia es uno de los problemas más antiguos y aun sin resolver de la física y la ingeniería. Algunos sistemas de fluidos presentan una transición laminar-turbulenta como una ruta determinista de flujos laminares cada vez más complejos. Durante casi un siglo, el flujo de Taylor-Couette ha sido el paradigma de este tipo de rutas hacia la turbulencia. El objetivo de este trabajo es reconstruir una maquina de Taylor-Couette y diseñar un sistema de control digital en lazo cerrado con intención de obtener flujos que son objeto de estudio. La fase inicial del proyecto consistió en rehabilitar una maquina de Taylor-Couette muy vieja que había sido guardada durante veinticinco años. El siguiente paso fue diseñar un software y una interfaz electrónica para controlar las rotaciones de los dos cilindros de la maquina. Esto aumenta la oportunidad de una gran variedad de experimentos casi imposibles con la antigua versión de la máquina. El nuevo sistema de control está programado de manera precisa para actuar muy lentamente, de manera que el proceso a partir del cual los cilindros llegan a la velocidad deseada es cuasi estático. Así conseguimos el control total del flujo estudiado y también que el sistema sea robusto ante posible ruido. Los estados observados incluyen vórtices de Taylor, vórtices de Taylor ondulados, vórtices ondulados modulados, flujo en espiral, espirales interpenetrantes, espirales interpenetrantes modulados, espiral turbulenta, intermitencia de puntos turbulentos y otras combinaciones de estos flujos. Los experimentos documentados se dan en función de los números de Reynolds del cilindro interno y externo, Ri y Ro respectivamente. En todos los casos explorados los resultados concuerdan con autores anteriores: tanto las predicciones teóricas como las simulaciones computacionales.

La transició cap a la turbulència és un dels problemes més antics i encara sense resoldre de la física i l'enginyeria. Alguns sistemes de fluids presenten una transició laminar-turbulenta com una ruta determinista de fluxos laminars cada vegada més complexos. Durant gairebé un segle, el flux de Taylor-Couette entre dos cilindres coaxials de rotació independent ha estat el paradigma d'aquest tipus de rutes cap a la turbulència. L'objectiu d'aquest treball és reconstruir una màquina de Taylor-Couette i dissenyar un sistema de control digital en llaç tancat amb intenció d'obtenir fluxos que són objecte d'estudi. La fase inicial del projecte va consistir a rehabilitar una màquina de Taylor-Couette molt vella que havia estat guardada durant vint-i-cinc anys. El següent pas va ser dissenyar un programari i una interfície electrònica per controlar les rotacions dels dos cilindres. Això ha fet augmentar l'oportunitat d'una gran varietat d'experiments que eren gairebé impossibles de dur a terme amb la versió antiga de la màquina. El nou sistema de control està programat de manera precisa per actuar molt lentament, de manera que el procés a partir del qual els cilindres arriben a la velocitat desitjada és quasi-estàtic. Així aconseguim el control total del flux estudiat i també que el sistema sigui robust davant de possibles sorolls. Els estats observats inclouen vòrtex de Taylor, vòrtex de Taylor ondulats, vòrtex ondulats modulats, flux en espiral, espirals interpenetrants, espirals interpenetrants modulats, espiral turbulenta, intermitència de punts turbulents i diverses combinacions d'aquests fluxos. Els experiments documentats es donen en funció dels nombres de Reynolds del cilindre intern i extern, Ri i Ro respectivament. En tots els casos explorats els resultats concorden amb autors anteriors: tant les prediccions teòriques com les simulacions computacionals.