[論文レビュー] The Instantaneous Wall Viscosity in Pipe Flow of Power Law Fluids: Case Study for a Theory of Turbulence in Time-Independent Non-Newtonian Fluids

Khanh Tuoc Trịnh|ArXiv.org|Dec 29, 2009

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 47被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、パワー則流体の管内流れにおいて、瞬時の壁面粘度を導入することで、時間に依存しない非ニュートン流体における乱流の統一理論を提案する。バースト様のイベント（流入・スイープ・噴出）による動量交換をモデル化することで、位相ロックされたパラメータを用いると、ニュートン流体および非ニュートン流体の両方において、正規化された壁層厚さと臨界摩擦係数が同一の曲線に収束することが示され、構造的類似性下で同じ乱流メカニズムであることを示している。

ABSTRACT

This paper presents a new theory of turbulence in time-independent non-Newtonian fluids. The wall layer is modelled in terms of unsteady exchange of viscous momentum between the wall and the main stream, following the classic visualisation of inrush-sweep-ejection/burst. The thickness of the wall layer is found to be the same for Newtonian and purely viscous non-Newtonian fluids, when normalised with the instantaneous wall parameters at the onset of bursting. The results indicate that the mechanisms of turbulence in Newtonian and time-independent fluids are identical when structural similarity relations in turbulence are based on phase-locked parameters linked with the development of secondary flows rather than on time-averaged wall parameters. This similarity analysis collapses the local critical instantaneous friction factor data of both Newtonian and non-Newtonian fluids at the point of bursting into a single curve. The method greatly simplifies the analysis of turbulent transport phenomena in non-Newtonian fluids. Keywords: Turbulence, time-independent non-Newtonian, Power law, pipe flow, wall layer

研究の動機と目的

• 時間平均値ではなく瞬時の壁面パラメータに基づく、時間に依存しない非ニュートン流体における乱流理論の構築。
• ニュートン流体および完全に粘性的な非ニュートン流体における乱流メカニズムが根本的に同一であるかどうかの調査。
• 二次流れの発展に関連する位相ロックされたパラメータを用いることで、乱流における構造的類似性を達成できるかどうかの検証。
• 提案された正規化法を用いることで、両流体種の臨界摩擦係数データが単一の普遍的曲線に収束するかどうかのテスト。
• 瞬時の壁面ダイナミクスに基づく不変スケーリング則の同定を通じて、非ニュートン流体における乱流輸送の解析を簡略化すること。

提案手法

• 古典的な流入・スイープ・噴出／バーストサイクルにインspiredされ、壁面と主流間の非定常な動量交換を用いて壁層をモデル化する。
• バースト発生の初期段階における瞬時の壁面パラメータを用いて、壁層厚さを定義する。時間平均値ではなく、それらを用いる。
• 位相ロックされたパラメータの正規化を適用し、ニュートン流体および非ニュートン流体間の乱流挙動を比較する。
• 流れ行動指数が変化するパワー則流体モデルを用いて、時間に依存しない非ニュートン挙動を表現する。
• バースト発生の時点における臨界瞬時の摩擦係数データを分析し、流体種を超えて普遍的収束が成立するかをテストする。
• 定常状態の平均値ではなく、動的流れ発展に基づく構造的類似性関係を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 瞬時の壁面パラメータを用いる場合、ニュートン流体および時間に依存しない非ニュートン流体における乱流メカニズムは同一のままであるか？
• RQ2 非ニュートン流体における壁層厚さは、ニュートン流体と一致するように、バースト発生初期の瞬時の壁面パラメータで正規化可能か？
• RQ3 位相ロックされた正規化を用いる場合、ニュートン流体および非ニュートン流体の臨界瞬時の摩擦係数データは、単一の普遍的曲線に収束するか？
• RQ4 二次流れの発展に関連する位相ロックされたパラメータの使用は、時間平均値のパラメータに比べ、乱流における構造的類似性を達成する上でより効果的か？
• RQ5 動的バーストイベントに注目することで、時間に依存しない非ニュートン流体における乱流の統一理論を構築できるか？

主な発見

• バースト発生初期における瞬時の壁面パラメータで正規化された壁層厚さは、ニュートン流体および完全に粘性的な非ニュートン流体で同一である。
• 位相ロックされたパラメータを用いた正規化により、ニュートン流体および非ニュートン流体の両方における臨界瞬時の摩擦係数データが、単一の普遍的曲線に収束する。
• 構造的類似性が動的で位相ロックされたパラメータに基づく場合、ニュートン流体および時間に依存しない非ニュートン流体における乱流メカニズムは根本的に同一である。
• 時間平均壁面パラメータは乱流の本質的ダイナミクスを捉えられず、一方瞬時のパラメータは下位の普遍的挙動を明らかにする。
• 提案手法により、非ニュートン流体における乱流輸送の解析が、複雑な挙動を単一のスケーリング曲線に還元することで簡略化される。
• 理論は、動的でイベントベースの正規化を用いることで、時間に依存しない非ニュートン流体における普遍的な乱流構造の存在を支持する。