[논문 리뷰] Bubble deformability is crucial for strong drag reduction in bubbly turbulent Taylor-Couette flow

Dennis P. M. van Gils, Daniela Narezo Guzmán외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 29.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 기포의 탄성변형이 난류 타일러-쿠에트 흐름에서 강력한 항력 감소(DR)를 이끄는 핵심 메커니즘임을 입증한다. Re = 2.0 × 10^6 및 4% 기체 부피 분율에서 DR은 40%를 초과한다. 중간(DR ≤7%)에서 강력한 DR로의 전이가 국소 기포 위버 수(We)가 약 1을 초과할 때 발생하며, 이는 내부 실린더 벽면 근처에서 기포의 변형이 국소 유동 역학을 변화시켜 DR을 향상시킴을 시사한다.

ABSTRACT

Bubbly turbulent Taylor-Couette (TC) flow is globally and locally studied at Reynolds numbers of Re = 5 x 10^5 to 2 x 10^6 with a stationary outer cylinder and a mean bubble diameter around 1 mm. We measure the drag reduction (DR) based on the global dimensional torque as a function of the global gas volume fraction a_global over the range 0% to 4%. We observe a moderate DR of up to 7% for Re = 5.1 x 10^5. Significantly stronger DR is achieved for Re = 1.0 x 10^6 and 2.0 x 10^6 with, remarkably, more than 40% of DR at Re = 2.0 x 10^6 and a_global = 4%. To shed light on the two apparently different regimes of moderate DR and strong DR, we investigate the local liquid flow velocity and the local bubble statistics, in particular the radial gas concentration profiles and the bubble size distribution, for the two different cases; Re = 5.1 x 10^5 in the moderate DR regime and Re = 1.0 x 10^6 in the strong DR regime, both at a_global = 3 +/- 0.5%. By defining and measuring a local bubble Weber number (We) in the TC gap close to the IC wall, we observe that the crossover from the moderate to the strong DR regime occurs roughly at the crossover of We ~ 1. In the strong DR regime at Re = 1.0 x 10^6 we find We > 1, reaching a value of 9 (+7, -2) when approaching the inner wall, indicating that the bubbles increasingly deform as they draw near the inner wall. In the moderate DR regime at Re = 5.1 x 10^5 we find We ~ 1, indicating more rigid bubbles, even though the mean bubble diameter is larger, namely 1.2 (+0.7, -0.1) mm, as compared to the Re = 1.0 x 10^6 case, where it is 0.9 (+0.6, -0.1) mm. We conclude that bubble deformability is a relevant mechanism behind the observed strong DR. These local results match and extend the conclusions from the global flow experiments as found by van den Berg et al. (2005) and from the numerical simulations by Lu, Fernandez & Tryggvason (2005).

연구 동기 및 목표

• 다양한 레이놀즈 수에서 기포를 포함한 난류 타일러-쿠에트(TC) 유동에서 항력 감소(DR)의 메커니즘을 조사하기 위해.
• 낮은 레이놀즈 수에서의 중간 DR과 대비하여 기포의 탄성변형이 강력한 DR을 가능하게 하는 역할을 규명하기 위해.
• 반경 방향 기체 농도 및 크기 분포를 포함한 국소 유동 및 기포 통계량을 정량화하여 전이 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 전역 기체 부피 분율(a_global)에 따른 항력 감소(DR)를 계산하기 위해 전역 토크 측정을 수행하였으며, Re = 5×10^5에서 2×10^6의 범위에서 분석하였다.
• 고해상도 진단을 이용해 내부 실린더 벽면 근처의 TC 갭에서 국소 액체 속도 및 기포 통계량을 측정하였다.
• 국소 기포 위버 수(We)를 정의하고 측정하여 내벽 근처의 기포 변형 정도를 평가하였다.
• 중간 DR 및 강력한 DR 영역를 비교하기 위해 반경 방향 기체 농도 프로파일 및 기포 크기 분포를 분석하였다.
• 연구 결과의 타당성을 검증하기 위해 이전의 전역 실험(van den Berg 등, 2005) 및 수치 시뮬레이션(Lu, Fernandez & Tryggvason, 2005) 결과와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기포의 탄성변형이 기포를 포함한 난류 타일러-쿠에트 유동에서 강력한 항력 감소를 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ2 국소 기포 위버 수(We)가 어느 임계 값에서 중간 DR에서 강력한 DR로의 전이가 발생하는가?
• RQ3 반경 방향 기체 농도 및 크기 분포와 같은 국소 기포 통계량은 중간 DR 영역와 강력한 DR 영역에서 어떻게 다를까?
• RQ4 유사한 전역 기체 부피 분율에도 불구하고 고레이놀즈 수에서 더 강력한 항력 감소가 발생하는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• Re = 5.1 × 10^5 및 a_global = 4%일 때 항력 감소(DR)는 최대 7%에 이르며, 이는 저레이놀즈 수 영역에서 중간 DR을 나타낸다.
• Re = 1.0 × 10^6 및 a_global = 4%일 때 DR은 40%를 초과하며, 강력한 DR로의 급격한 전이를 보여준다.
• 중간 DR에서 강력한 DR로의 전이가 국소 기포 위버 수(We)가 약 1이 되는 시점과 일치하며, 이는 심각한 기포 변형의 시작을 나타낸다.
• 강력한 DR 영역(Re = 1.0 × 10^6)에서 내부 실린더 벽면 근처 We는 9 (+7, -2)에 도달하며, 이는 매우 변형된 기포를 의미한다.
• 중간 DR 영역(Re = 5.1 × 10^5)에서 We ≈ 1이지만, 고레이놀즈 수에서보다 더 큰 평균 기포 지름(1.2 mm 대비 0.9 mm)을 보이므로 더 강성 있는 거동를 나타낸다.
• 기포의 탄성변형은 강력한 DR의 핵심 메커니즘으로 규명되었으며, 내벽 근처에서 국소 We > 1이 되는 조건이 향상된 유동 조작을 가능하게 한다.