[論文レビュー] An experimental study on turbulent-stripe structure in transitional channel flow

Takahiro Tsukahara, Yasuo Kawaguchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2014

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 9被引用数 13

ひとこと要約

この実験的研究では、反射性フラクタル粒子を用いた流れの可視化とレーザー Doppler ベロシメトリーを用いて、遷移的チャネル流れにおける乱流ストライプ構造を調査した。レイノルズ数 Re = 1700–2000 の範囲で、流れの方向に対して20–30°傾いたストライプが観察され、流れ方向の波長は約60δであった。一方、 spanwise 方向に整列したストライプは1.6δの間隔をあけて配置されていた。遷移の臨界レイノルズ数は Re = 1300 であった。

ABSTRACT

Turbulent stripe, which would occur in turbulent channel flows at transitional Reynolds numbers, was studied experimentally by flow visualization using reflective flake particles. In a range of bulk mean Reynolds number Re = 1700-2000, the turbulent stripe was observed to be inclined at angles of 20-30 degree against the streamwise direction, and its streamwise wave length was about 60 times of the channel half width ($δ$). The longitudinal streaks with the spanwise spacing of 1.6$δ$ were found in the quasi-laminar regions. The critical Reynolds number was Re = 1300. Time traces of the streamwise velocity were measured by laser Doppler velocimetry, revealing similarity to the equilibrium turbulent puff in the transitional pipe flow.

研究の動機と目的

• 遷移的チャネル流れにおける乱流ストライプ構造の形成および特性を実験的に調査すること。
• 流れに乱流ストライプが現れる臨界レイノルズ数を特定すること。
• 乱流ストライプおよび関連するストライプの空間的向き、波長、spanwise 間隔を分析すること。
• 遷移的チャネル流れにおける時間的速度揺動を、パイプ流れにおける平衡乱流パフと比較すること。

提案手法

• チャネル流れの実験装置で乱流ストライプ構造を観察するために、反射性フラクタル粒子を用いた流れの可視化。
• 遷移的流れ領域における流れ方向速度の時間的トレースを測定するために、レーザー Doppler ベロシメトリー (LDV) を用いる。
• 乱流ストライプ形成の開始を特定するために、全流体平均レイノルズ数を Re = 1300 から 2000 に変化させた。
• 流れ方向に対するストライプの傾き角を測定し、チャネル半幅 δ の単位で流れ方向波長を決定した。
• 準層流領域における縦方向ストライプ間の spanwise 間隔を分析した。
• 遷移的パイプ流れにおける平衡乱流パフと比較して、速度揺動のダイナミクスを検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遷移的チャネル流れにおける乱流ストライプ構造が最初に現れるレイノルズ数は何か？
• RQ2 遷移領域における乱流ストライプの流れ方向に対する傾き角は何か？
• RQ3 乱流ストライプの流れ方向波長は、チャネル半幅 δ に対してどのように関係しているか？
• RQ4 準層流領域における縦方向ストライプの spanwise 間隔および構造は、乱流ストライプパターンとどのように関連しているか？
• RQ5 チャネル流れにおける時間的速度揺動は、パイプ流れにおける平衡乱流パフとどのように比較できるか？

主な発見

• チャネル流れにおける乱流ストライプ構造の臨界レイノルズ数は、実験的に Re = 1300 であると特定された。
• Re = 1700–2000 の範囲で、乱流ストライプが流れ方向に対して20–30°傾いていることが観察された。
• 乱流ストライプの流れ方向波長は、チャネル半幅 δ の約60倍に測定された。
• 準層流領域に隣接する領域で、spanwise 間隔が1.6δの縦方向ストライプが特定された。
• LDV 測定による流れ方向速度の時間的トレースは、遷移的パイプ流れで観察された平衡乱流パフと類似したダイナミクスを示した。
• 観察された流れ構造およびダイナミクスは、もともとは層流である流れの中に局所的に存在する乱流領域を特徴とする遷移状態を示唆している。