[論文レビュー] A fluid flow model for the pressure loss through perforated plates

Shuai Li, Lars Davidson+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2023

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、層流および乱流の両状態において、穿孔板を通過する圧力損失を予測する、数学的に単純な新規な流体流れモデルを提案する。EU H2020 INVENTORプロジェクトの実験データに基づき、数値シミュレーションおよび実験と照合された結果、本モデルは既存のモデルを上回る精度を発揮しながらも単純性を維持しており、RANSシミュレーションへの実装においても良好な一致が得られている。

ABSTRACT

A fluid flow through a perforated plate is a common problem in a wide variety of practical applications in thermal, mechanical, chemical, civil, nuclear, ocean and aerospace engineering. In this paper, we proposed a novel fluid flow model for the pressure loss through plates with circular perforations in both laminar and turbulent flows. The design of this model is based on the recent measurements conducted at ONERA in the framework of the on-going European Union H2020 INVENTOR project, as well as an existing model for laminar flows. The new model is then validated against existing numerical simulations in the laminar regime and experiments in the turbulent regime. Overall, the predictions given by the new model agree well with the numerical simulations and experiments, and are superior to other models in the literature. This is significant, considering that the present model is much simpler than these previous models. To demonstrate the application of the new model in numerical simulations, two-dimensional channel flows are simulated using Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with the new model as a pressure-drop source term added to the momentum equations. Results show that the RANS predictions agree very well with the present model predictions.

研究の動機と目的

• 層流および乱流の両流れ領域に適用可能な統一的で数学的に単純な穿孔板の圧力損失モデルの開発。
• 既存のモデルが過度に複雑であるか、特定の流れ領域に限定されているのを改善し、予測精度を向上させること。
• EU H2020 INVENTORプロジェクトからの最新の実験データを活用し、モデルの構築と検証を行うこと。
• 工学的応用のためのレイノルズ平均ナビエ＝ストークス（RANS）シミュレーションへの正確で効率的な実装を可能にすること。
• 実験的制約に基づき、透過率（ε）および厚さ比（δ/D）の観点から、実用的適用限界を確立すること。

提案手法

• 本モデルは、INVENTORプロジェクトのONERA風洞キャンペーンにおける最近の実験測定値と、Bae & Kim（2020）が提唱した既存の層流流れモデルを組み合わせて導出された。
• 圧力損失を透過率（ε）、厚さ対直径比（δ/D）、および流れ速度の関数として表現するために、修正されたダルシー＝フォルツハイマー式を採用している。
• 流れ状態の遷移および幾何的効果を補正するための補正係数fを組み込み、層流および乱流条件の両方で一貫性を確保している。
• 層流領域では数値シミュレーション、乱流領域では実験データと照合してモデルの妥当性を検証したところ、良好な一致が得られた。
• RANSシミュレーションの運動量方程式に源項として本モデルを実装し、チャネル流れ構成における予測能力を評価した。
• シミュレーションで穿孔板を通過する流れを正確に解像するため、流れ方向に最低4個の計算セルを推奨する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統一的で単純なモデルは、穿孔板における層流および乱流の両状態で、圧力損失を正確に予測できるか？
• RQ2 本モデルは、透過率や厚さ比が異なる条件下で、既存の経験的および数値的モデルと比較してどの程度高い精度を示すか？
• RQ3 本モデルは、工学的流れ予測のためのRANSシミュレーションにどの程度信頼性高く実装可能か？
• RQ4 本モデルの実用的適用限界は、透過率（ε）および厚さ比（δ/D）の観点でどの程度か？
• RQ5 本モデルは、層流と乱流状態の遷移に伴う圧力損失の挙動の変化、特に板の厚さに伴う傾向の逆転を正しく捉えているか？

主な発見

• 提案されたモデルは、層流領域の数値シミュレーションおよび乱流領域の実験データの両方と優れた一致を示した。
• 本モデルは、文献に既存のモデルよりも顕著に高い予測精度を発揮しながらも、はるかに単純な数学的形を維持している。
• RANSシミュレーションにおいて本モデルを圧力損失源項として用いた結果、モデル自身の予測と非常に良好に一致し、CFD応用におけるロバスト性が検証された。
• 本モデルは、透過率 0.3 ≤ ε ≤ 0.7 および厚さ比 0.2 < δ/D < 1.0 の範囲で適用可能であり、これらの範囲外では性能が低下する。
• 本モデルは、板の厚さに伴う圧力損失の傾向の逆転を正しく捉えている：厚い板では層流で損失が増加するが、薄い板では乱流で損失が増加する。
• 本モデルの単純さと高い精度から、熱交換器、騒音低減装置、流れ調整装置の設計最適化への応用に強く適している。