[論文レビュー] The wall shear rate in non-Newtonian turbulent pipe flow

Khanh Tuoc Trịnh|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2010

Rheology and Fluid Dynamics Studies参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、非ニュートン流体の乱流管内流れにおける壁せん断速度を計算する統一的手法を提示する。層流と乱流のデータを一つの普遍的流れ曲線に統合することで、流れの状態にかかわらず正確な壁せん断速度の予測が可能となり、非ニュートン流体の信頼性のある乱流用粘度計の設計に基盤を提供する。

ABSTRACT

This paper presents a method for calculating the wall shear rate in pipe turbulent flow. It collapses adequately the data measured in laminar flow and turbulent flow into a single flow curve and gives the basis for the design of turbulent flow viscometers. Key words: non-Newtonian, wall shear rate, turbulent, rheometer

研究の動機と目的

• 非ニュートン流体が乱流管内流れ下にある状況において、一貫性のある壁せん断速度の計算手法を開発すること。
• 非ニュートン流体の層流と乱流挙動のギャップを、普遍的スケーリング手法を用いて埋めること。
• 非ニュートン流体に適用可能な乱流用粘度計の設計に理論的かつ実用的基盤を提供すること。
• 複雑な流体を含む産業的および実験的応用において、壁せん断速度の推定精度を向上させること。

提案手法

• 本手法は、層流および乱流領域からの実験データを一つの普遍的曲線に統合する次元なしスケーリング手法を採用する。
• 一般化されたレイノルズ数と非ニュートン流動率モデルを用いて、異なる流れ状態間での流れの挙動を正規化する。
• 圧力損失、流量、管の幾何形状との関係を用いて、普遍的曲線から壁せん断速度を導出する。
• べき乗則モデルを用いて、非ニュートン流体のせん断薄体化またはせん断増粘挙動を考慮する。
• 予測された壁せん断速度を、さまざまな流れ条件における実験データと比較することで、手法の妥当性を検証する。
• 最終的なモデルにより、流量や管径といった測定可能な量から直接壁せん断速度を計算可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ニュートン流体の層流および乱流管内流れデータは、一つの普遍的流れ曲線に統合可能か？
• RQ2 非ニュートン流体の層流および乱流領域において、壁せん断速度を正確に予測する方法は何か？
• RQ3 非ニュートン乱流挙動を統一するために必要なスケーリングパラメータは何か？
• RQ4 従来のアプローチと比較して、本手法が壁せん断速度推定の精度をどの程度向上させるか？
• RQ5 本手法は、非ニュートン流体用の実用的な乱流用粘度計の設計に基盤を提供できるか？

主な発見

• 提案手法は、非ニュートン流体の層流および乱流データを、一つの普遍的曲線に成功して統合した。
• 広い範囲のレイノルズ数および流体挙動において、普遍的曲線を用いた壁せん断速度の正確な予測が可能である。
• せん断薄体化流体に対して、本手法は実験データから最小限のずれで一貫した性能を示した。
• 本手法により、非ニュートン流体の乱流条件下でも信頼性のある動作が可能な粘度計の設計が可能となった。
• 適切にスケーリングされた場合、普遍的曲線は特定の流体パラメータに依存せず、頑健である。
• 従来の経験的相関式に比べ、非ニュートン乱流の予測精度が著しく向上した。