[논문 리뷰] An experimental study on turbulent-stripe structure in transitional channel flow

Takahiro Tsukahara, Yasuo Kawaguchi외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 05.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows참고 문헌 9인용 수 13

한 줄 요약

이 실험적 연구는 반사성 플레이크 입자를 사용한 유동 시각화와 레이저 Doppler 속도측정법을 통해 전이 상태 채널 유동에서 난류 스트립 구조를 조사한다. 레이놀즈 수 Re = 1700–2000 범위에서, 유동 방향에 대해 20–30° 기울인 스트립이 관측되었으며, 이들의 유동 방향 파장은 약 60δ였다. 또한 스트립과 수직으로 배열된 스트립은 1.6δ 간격으로 나타났다. 전이의 임계 레이놀즈 수는 Re = 1300으로 확인되었다.

ABSTRACT

Turbulent stripe, which would occur in turbulent channel flows at transitional Reynolds numbers, was studied experimentally by flow visualization using reflective flake particles. In a range of bulk mean Reynolds number Re = 1700-2000, the turbulent stripe was observed to be inclined at angles of 20-30 degree against the streamwise direction, and its streamwise wave length was about 60 times of the channel half width ($δ$). The longitudinal streaks with the spanwise spacing of 1.6$δ$ were found in the quasi-laminar regions. The critical Reynolds number was Re = 1300. Time traces of the streamwise velocity were measured by laser Doppler velocimetry, revealing similarity to the equilibrium turbulent puff in the transitional pipe flow.

연구 동기 및 목표

• 전이 상태 채널 유동에서 난류 스트립 구조의 형성 및 특성에 대한 실험적 조사.
• 유동 내 난류 스트립이 나타나는 임계 레이놀즈 수의 규명.
• 난류 스트립의 공간적 경향성, 파장, 스트립 간격 분석.
• 전이 상태 채널 유동의 시간적 속도 변동성과 관류 흐름에서 관찰된 평형 난류 패기와의 비교.

제안 방법

• 채널 유동 설정에서 난류 스트립 구조를 관찰하기 위해 반사성 플레이크 입자를 사용한 유동 시각화.
• 전이 유동 영역에서 유동 방향 속도의 시간 추적을 측정하기 위해 레이저 도플러 속도측정법(LDV) 사용.
• 난류 스트립 형성의 시작을 규명하기 위해 전체 평균 레이놀즈 수를 Re = 1300에서 2000으로 변화시킴.
• 스트립의 유동 방향에 대한 기울기 각도 측정 및 채널 반폭 δ를 기준으로 한 유동 방향 파장 결정.
• 준 레이놀즈 상태 영역 내 종방향 스트립 간의 스트립 간격 분석.
• 전이 상태 관류 흐름에서의 속도 변동 동역학을 평형 난류 패기 상태의 관류 흐름과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전이 상태 채널 유동에서 난류 스트립 구조가 처음 나타나는 레이놀즈 수는 얼마인가요?
• RQ2 전이 영역에서 난류 스트립의 유동 방향에 대한 기울기 각도는 얼마인가요?
• RQ3 난류 스트립의 유동 방향 파장은 채널 반폭 δ와 어떻게 관련이 있나요?
• RQ4 준 레이놀즈 상태 영역 내 종방향 스트립의 스트립 간격과 구조는 난류 스트립 패tern과 어떻게 관련이 있나요?
• RQ5 채널 유동의 시간적 속도 변동성은 관류 흐름에서 관찰된 평형 난류 패기와 어떻게 비교될 수 있나요?

주요 결과

• 채널 유동에서 난류 스트립 구조의 시작 임계 레이놀즈 수는 실험적으로 Re = 1300으로 규명되었다.
• Re = 1700–2000 범위에서 난류 스트립은 유동 방향에 대해 20–30° 기울여져 있음을 관측하였다.
• 난류 스트립의 유동 방향 파장은 채널 반폭 δ의 약 60배로 측정되었다.
• 난류 스트립 주변의 준 레이놀즈 상태 영역에서 스트립 간격이 1.6δ인 종방향 스트립이 확인되었다.
• LDV 측정을 통해 확보한 유동 방향 속도 시간 추적은 관류 흐름에서 관찰된 평형 난류 패기와 유사한 역학적 특성을 보였다.
• 관측된 유동 구조와 동역학은 일반적으로 레이놀즈 상태에서 뚜렷한 난류 영역이 레이놀즈 상태 흐름 내에 국소적으로 존재하는 전이 상태를 특징으로 한다.