[論文レビュー] Bubble deformability is crucial for strong drag reduction in bubbly turbulent Taylor-Couette flow

Dennis P. M. van Gils, Daniela Narezo Guzmán+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2011

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、泡の変形性が乱流ターレイ・コウエット流れにおける強力な抗力低減（DR）の主要なメカニズムであることを示している。Re = 2.0 × 10^6 および 4% のガス体積分率でDRが40%を超える。中程度（≤7%）から強力なDRへの遷移は、局所的泡のウェーバー数（We）が約1を超えると発生し、内側シリンダーワールド近傍での泡の変形が局所的流れのダイナミクスを変化させることでDRが向上することを示している。

ABSTRACT

Bubbly turbulent Taylor-Couette (TC) flow is globally and locally studied at Reynolds numbers of Re = 5 x 10^5 to 2 x 10^6 with a stationary outer cylinder and a mean bubble diameter around 1 mm. We measure the drag reduction (DR) based on the global dimensional torque as a function of the global gas volume fraction a_global over the range 0% to 4%. We observe a moderate DR of up to 7% for Re = 5.1 x 10^5. Significantly stronger DR is achieved for Re = 1.0 x 10^6 and 2.0 x 10^6 with, remarkably, more than 40% of DR at Re = 2.0 x 10^6 and a_global = 4%. To shed light on the two apparently different regimes of moderate DR and strong DR, we investigate the local liquid flow velocity and the local bubble statistics, in particular the radial gas concentration profiles and the bubble size distribution, for the two different cases; Re = 5.1 x 10^5 in the moderate DR regime and Re = 1.0 x 10^6 in the strong DR regime, both at a_global = 3 +/- 0.5%. By defining and measuring a local bubble Weber number (We) in the TC gap close to the IC wall, we observe that the crossover from the moderate to the strong DR regime occurs roughly at the crossover of We ~ 1. In the strong DR regime at Re = 1.0 x 10^6 we find We > 1, reaching a value of 9 (+7, -2) when approaching the inner wall, indicating that the bubbles increasingly deform as they draw near the inner wall. In the moderate DR regime at Re = 5.1 x 10^5 we find We ~ 1, indicating more rigid bubbles, even though the mean bubble diameter is larger, namely 1.2 (+0.7, -0.1) mm, as compared to the Re = 1.0 x 10^6 case, where it is 0.9 (+0.6, -0.1) mm. We conclude that bubble deformability is a relevant mechanism behind the observed strong DR. These local results match and extend the conclusions from the global flow experiments as found by van den Berg et al. (2005) and from the numerical simulations by Lu, Fernandez & Tryggvason (2005).

研究の動機と目的

• 乱流ターレイ・コウエット（TC）流れにおける泡を含む系の抗力低減（DR）のメカニズムを、さまざまなレイノルズ数の範囲で調査すること。
• 特に低レイノルズ数での中程度のDRと比較して、泡の変形性が強力なDRを可能にする役割を特定すること。
• 局所的流れおよび泡の統計量（径方向ガス濃度および粒子径分布を含む）を定量的に評価し、遷移の臨界条件を同定すること。

提案手法

• 全般的なガス体積分率（a_global）をパラメータとして、全般的なトルク測定を用いて、Re = 5×10^5 から 2×10^6 の範囲で抗力低減（DR）を算出している。
• 内側シリンダーワールドに近いTCギャップ部において、高分解能の診断法を用いて局所的液体速度および泡の統計量を測定している。
• 局所的泡のウェーバー数（We）を定義し、内壁近傍での泡の変形度を測定している。
• 径方向ガス濃度プロファイルおよび泡の粒子径分布を分析し、中程度のDRと強力なDRの状態を比較している。
• 研究結果の妥当性を検証するため、先行の全般的な実験（van den Berg et al., 2005）および数値シミュレーション（Lu, Fernandez & Tryggvason, 2005）と比較している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 泡の変形性は、泡を含む乱流ターレイ・コウエット流れにおける強力な抗力低減をどのように促進するか？
• RQ2 局所的泡のウェーバー数（We）がどの臨界値に達するときに、中程度のDRから強力なDRへの遷移が発生するか？
• RQ3 径方向ガス濃度や粒子径分布などの局所的泡の統計量は、中程度のDRと強力なDRの状態でどのように異なるか？
• RQ4 同じ全般的なガス体積分率であっても、より高いレイノルズ数でより強い抗力低減が発生するのはなぜか？

主な発見

• Re = 5.1 × 10^5 および a_global = 4% の条件下で、抗力低減（DR）は最大7%に達し、低Re領域での中程度のDRを示している。
• Re = 1.0 × 10^6 および a_global = 4% の条件下で、DRは40%を超えており、強力なDRへの顕著な遷移が確認された。
• 中程度のDRから強力なDRへの遷移は、局所的泡のウェーバー数（We）が約1に達するのと一致しており、顕著な泡の変形の開始を示している。
• 強力なDR状態（Re = 1.0 × 10^6）では、内側シリンダーワールド近傍で We が 9 (+7, -2) に達しており、非常に変形した泡が存在することを示している。
• 中程度のDR状態（Re = 5.1 × 10^5）では、平均泡径が 1.2 mm と高Re時（0.9 mm）よりも大きいにもかかわらず We ≈ 1 であり、より剛性の高い挙動を示している。
• 泡の変形性が強力なDRの背後にある重要なメカニズムであると特定され、内壁近傍での局所的We > 1 が流れの強化的変更を可能にしている。