[논문 리뷰] 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|2009. 12. 29.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows참고 문헌 47인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 힘의 법칙 법칙 유체의 파이프 유동에서 순순간 벽 점도를 도입하여 시간에 독립적인 비뉴턴 유체에서 난류의 통합 이론을 제안한다. 붐벌스트-스위프트-에이전시와 유사한 급격한 운동량 교환 이벤트를 모델링함으로써, 단일 파라미터로 정규화된 벽층 두께와 임계 마찰 계수는 단일 곡선으로 수렴함을 보이며, 이는 구조적 유사성 하에서 난류 메커니즘이 동일함을 시사한다.

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

연구 동기 및 목표

• 시간 평균 대신 순순간 벽 파라미터를 기반으로 시간에 독립적인 비뉴턴 유체에서 난류 이론을 수립하기 위해.
• 뉴턴 및 순수 점성 비뉴턴 유체에서 난류의 메커니즘이 본질적으로 동일한가를 조사하기 위해.
• 보조 흐름 개발과 연결된 단일 파라미터를 사용하여 난류의 구조적 유사성을 달성할 수 있는가를 판단하기 위해.
• 제안된 정규화 방식 하에서 두 유체 유형의 임계 마찰 계수 데이터가 단일 보편 곡선으로 수렴하는지 테스트하기 위해.
• 순순간 벽 역학 기반의 불변 스케일링 법칙을 식별함으로써 비뉴턴 유체에서 난류 운반 분석을 단순화하기 위해.

제안 방법

• 고전적인 인러시-스위프트-에이전시/폭발 사이클을 영감으로 받아, 벽과 주류 간의 비정상적 운동량 교환을 통해 벽층을 모델링한다.
• 폭발 발생 시점의 순순간 벽 파라미터를 사용하여, 시간 평균 값 대신에 벽층 두께를 정의한다.
• 난류 거동을 뉴턴 및 비뉴턴 유체 간에 비교하기 위해 단일 파라미터 정규화를 적용한다.
• 유동 행동 지수를 변화시킨 힘의 법칙 법칙 모델을 사용하여 시간에 독립적인 비뉴턴 거동을 표현한다.
• 폭발 발생 시점의 임계 순순간 마찰 계수 데이터를 분석하여, 유체 유형 간에 보편적인 수렴 여부를 테스트한다.
• 정적 평균 대신 동적 흐름 개발 기반의 구조적 유사성 관계를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순순간 벽 파라미터를 사용할 경우, 뉴턴 및 시간에 독립적인 비뉴턴 유체에서 난류의 메커니즘이 동일하게 유지되는가?
• RQ2 비뉴턴 유체의 벽층 두께를 폭발 발생 시점의 순순간 벽 파라미터로 정규화하여 뉴턴 유체와 일치시킬 수 있는가?
• RQ3 단일 파라미터 정규화 하에서, 뉴턴 및 비뉴턴 유체의 임계 순순간 마찰 계수 데이터가 단일 보편 곡선으로 수렴하는가?
• RQ4 보조 흐름 개발과 연결된 단일 파라미터의 사용이 시간 평균 파라미터보다 난류의 구조적 유사성을 달성하는 데 더 효과적인가?
• RQ5 폭발 이벤트에 초점을 맞춤으로써 시간에 독립적인 비뉴턴 유체에 대한 난류의 통합 이론을 수립할 수 있는가?

주요 결과

• 폭발 발생 시점의 순순간 벽 파라미터로 정규화된 벽층 두께는 뉴턴 및 순수 점성 비뉴턴 유체에서 동일하다.
• 단일 파라미터 정규화 하에서, 뉴턴 및 비뉴턴 유체의 임계 순순간 마찰 계수 데이터는 단일 보편 곡선으로 수렴한다.
• 구조적 유사성이 동적 단일 파라미터에 기반할 경우, 뉴턴 및 시간에 독립적인 비뉴턴 유체에서 난류의 메커니즘은 본질적으로 동일하다.
• 시간 평균 파라미터는 난류의 본질적 역학을 포착하지 못하지만, 순순간 파라미터는 잠재적인 보편적 행동을 드러낸다.
• 제안된 방법은 복잡한 거동을 단일 스케일링 곡선으로 줄임으로써 비뉴턴 유체에서 난류 운반 분석을 단순화한다.
• 이론은 동적이고 사건 기반의 정규화를 사용할 경우 시간에 독립적인 비뉴턴 유체에서 보편 난류 구조의 존재를 뒷받침한다.