[論文レビュー] Interfacial area transport for bubbly-to-slug transition flows in small diameter pipes

Zhuoran Dang, Mamoru Ishii|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2020

Fluid Dynamics and Mixing参考文献 33被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、小径パイプ（12.7 mm）における気泡流からスラッグ流への遷移時における急激なインターフェース間転送を予測するため、IATE（界面面積輸送方程式）の遷移関数を開発した。泡の大きさと空隙率のしきい値を用いて、流れの尾域巻き込み駆動型凝集の発生をモデル化することで、従来のIATEが失敗する低液体速度領域においても、シグモイド型の遷移関数を有する改訂モデルが予測精度を著しく向上させた。

ABSTRACT

This study aims to experimentally investigate the two-group interfacial area transport in small diameter pipes. Experimental data focusing on the bubbly to slug transition regime, namely one-group to two-group transport region, are collected in a 12.7 mm vertical pipe under adiabatic, air-water conditions. The result shows the intergroup transfer in the small diameter pipe can be drastic, especially under low superficial liquid velocities. The cause of this phenomenon is mainly due to the large relative bubble size comparing to the pipe cross-sectional area. The wake entrainment effect could be enhanced by the small spherical bubbles that are acting like cap or slug bubbles in a medium-size pipe. Based on the experimental observation, a throughout analysis of the dependence of the drastic intergroup transfer is provided in this study. The models predicting the initiation of drastic intergroup transfer in small diameter pipes in terms of the bubble diameter and the void fraction are developed. These models are compared with the two-phase data among the different pipe sizes and the results show a good agreement. These newly developed models are applied to the IATE wake entrainment model by developing a transition function analogous to the sigmoid function. With the transition function, the revised IATE model is given the new ability on predicting the drastic intergroup transfer phenomenon.

研究の動機と目的

• 小径パイプ内における気泡流からスラッグ流への遷移時における急激なインターフェース間転送のメカニズムを調査すること。
• 流れの尾域巻き込みが支配的となり、急激な界面面積輸送を引き起こす臨界条件（具体的には泡の大きさと空隙率）を特定すること。
• 12.7 mmの垂直パイプからの実験データに基づいて、急激なインターフェース間転送の発生を予測するモデルを構築すること。
• 連続的な遷移関数を介して、このモデルをIATEフレームワークに統合し、流動相の遷移にわたる正確な予測を可能にすること。

提案手法

• 断熱条件下の12.7 mmの垂直空気-水パイプで、4センサーエレクトロニカルコンダクタンスプローブを用いて実験データを収集した。
• 本研究では、空隙率、界面面積濃度（IAC）、泡の速度、およびSauter平均径（Dsm）の2相パラメータを分析した。
• 流れの尾域巻き込みおよび安定性メカニズムに基づき、急激なインターフェース間転送の臨界しきい値（泡の大きさDtr, Dreおよび空隙率αtr）を導出した。
• 臨界条件を満たした際に、流れの尾域巻き込みモデルが滑らかに活性化されるよう、緩和パラメータaおよびβを有するシグモイド型の遷移関数T(Dsm, α)を定式化した。
• IATEにおける泡の凝集速度項WE11,2を修正することで、この遷移関数をIATEに統合し、1群から2群への遷移にわたる連続的な予測を可能にした。
• 予測の忠実性を向上させるために、12.7 mm、25.4 mm、50.8 mmパイプの拡張データベースを用いてモデル係数を更新した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小径パイプにおける気泡流からスラッグ流への遷移時、特に低液体速度下で急激なインターフェース間転送が発生する原因は何か？
• RQ2 泡の大きさと空隙率は、小径パイプ内流動における強化された尾域巻き込みの発生にどのように寄与するか？
• RQ3 急激なインターフェース間転送への遷移を定義する臨界しきい値（Dtr, Dre, αtr）は何か？
• RQ4 IATEモデルは、不連続な流動相仮定に依存せずに、この現象を予測するようにどのように修正可能か？
• RQ5 シグモイド的挙動に基づく連続的遷移関数は、小径パイプ内でのインターフェース間転送の発生および進行を正確に捉えることができるか？

主な発見

• 12.7 mmパイプ内では、低表面液体速度（＜jf）下で、パイプ断面積に比して相対的に大きな泡の大きさのため、急激なインターフェース間転送が主に発生する。
• この現象は、強化された尾域巻き込みによって駆動されており、小さな球状泡が大径パイプ内でのキャップまたはスラッグ泡の役割を果たし、急速な凝集を促進する。
• 急激な転送の発生に向けた臨界しきい値として、αtr ≈ 0.25、Dtr ≈ 4 mm、およびReynolds数に基づくDreが特定された。小径パイプではDtrが支配的である。
• パラメータa = 0.01およびβ = 9×10⁻⁶を有する提案された遷移関数T(Dsm, α)は、12.7 mm、25.4 mm、50.8 mmパイプのデータすべてにおいて、急激な転送の発生を的確に捉えた。
• 遷移関数を統合した改訂IATEモデルは、急激な転送イベントの予測を向上させた一方で、極端でない領域でも高い精度を維持した。
• 係数の更新（CWE(22,2)を0.15から0.4に、CSO(2,12)を0.12から0.002に）により、拡張された実験データベース上でのモデル性能が向上した。