[論文レビュー] The laminar flow instability criterion and turbulence in pipe

S. L. Arsenjev, I. B. Lozovitski+1 more|ArXiv.org|Mar 19, 2003

Coal Combustion and Slurry Processing被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、流体の流れをばねのようにたわむ構造物に類似した不安定性としてモデル化することにより、円管内の層流〜乱流遷移のための新規不安定性基準を提案する。この基準は、入口形状、管長、流速、物性係数を組み込み、レイノルズ数が内部および外部流れに一般化可能な安定性枠組み内での局所的類似パラメータとして現れるものである。

ABSTRACT

The identification of stream in the straight pipe as a flexible rod has allowed to present the criterion expression for determination of transition of the laminar flow regime to the turbulent as a loss of stability of the rectilinear static structure of translational motion of stream in pipe and its transition to the flexural-vortical dynamic structure of translational motion, just as a flexible rod buckling. The introduced criterion allows to take into account an influencing of the inlet geometry, the pipe length, the flow velocity, and also of any physical factors on stability of the rectilinear flow structure. It is ascertained, that Reynolds number is the number of local hydrodynamic similarity and it is displayed that one is constituent part of the introduced stability criterion. The developed approach to a problem of stability is applicable for a problem solving on internal flow and external streamline.

研究の動機と目的

• 直管内の層流から乱流への遷移を説明する物理的メカニズムの構築を目的とする。
• 流体の流れを柔軟なロッドに類似させ、構造座屈に類する安定性基準を導出することを目的とする。
• 幾何的要因、流れの要因、物性係数を統合した一貫した不安定性基準の構築を目的とする。
• レイノルズ数がより広範な安定性枠組み内での局所的類似パラメータとして再評価されることを目的とする。
• 安定性解析の適用範囲を内部流れに加え外部流れへと拡張することを目的とする。

提案手法

• 円管内の層流を、並進運動を伴う柔軟なロッドとしてモデル化する。
• 構造的座屈の概念を流体の流れに適用し、不安定性を直線的安定性の喪失とみなす。
• 直線的運動から曲げ・渦運動への遷移に基づく安定性基準を導出する。
• 入口形状、管長、流速、物性パラメータを安定性基準に統合する。
• レイノルズ数を独立したパラメータではなく、導出された安定性基準の一部として表現する。
• 同一の基本原理を用いて内部および外部流れの問題に適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直管内の層流から乱流への遷移を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ2 流体の流れの挙動を、柔軟なロッドの座屈不安定性にどのように類似させることができるか？
• RQ3 レイノルズ数以外の要因として、管内の直線的流れの安定性に影響を与える要因は何か？
• RQ4 レイノルズ数は提案された安定性基準とどのように関係しているか？
• RQ5 この安定性枠組みは、外部流れへまでどの程度一般化可能か？

主な発見

• 層流〜乱流遷移は、柔軟なロッドの座屈に類似した直線的流れの安定性の喪失として解釈される。
• 提案された安定性基準は、入口形状、管長、流速、粘度・密度などの物性係数をすべて考慮している。
• レイノルズ数が独立した不安定性の決定要因ではなく、局所的流体力学的類似パラメータであることが示された。
• 流体の動的構造を曲げ・渦運動としてモデル化することで、遷移メカニズムを効果的に説明できた。
• このアプローチは内部および外部流れへと拡張可能であり、広範な適用性を示している。
• モデルは、慣性効果だけでなく、流体の流れが構造的座屈に類似した形で不安定化することを統合的枠組みで説明する。