[논문 리뷰] The laminar flow instability criterion and turbulence in pipe

S. L. Arsenjev, I. B. Lozovitski외 1명|ArXiv.org|2003. 03. 19.

Coal Combustion and Slurry Processing인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 파이프 유동에서 난류 전이의 새로운 불안정성 기준을 제안한다. 유동을 유연한 막대가 붕괴 유사한 불안정성 상태에 놓인 것으로 모델링함으로써, 입구 형상, 파이프 길이, 유속 및 물리적 요소를 포함한 기준을 제시한다. 이 기준은 내부 및 외부 유동에 모두 적용 가능한 광범위한 안정성 프레임워크 내에서 레이놀즈 수를 국소적 유사성 매개변수로 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 직선 파이프 내에서 난류로의 전이를 설명하는 물리적 메커니즘을 개발하기 위해.
• 유동을 유연한 막대로 모델링하여 구조적 붕괴와 유사한 안정성 기준을 유도하기 위해.
• 기하학적, 유동 및 물리적 요소를 통합된 불안정성 기준에 통합하기 위해.
• 레이놀즈 수가 더 넓은 안정성 프레임워크 내에서 국소적 유사성 매개변수로서 재평가될 수 있도록 하기 위해.
• 안정성 분석의 적용 범위를 내부 및 외부 유동 모두로 확장하기 위해.

제안 방법

• 파이프 내 난류 유동을 직선 운동을 하는 유연한 막대로 모델링하기 위해.
• 유동에 대해 구조적 붕괴 개념을 적용하여, 불안정성을 직선 안정성의 상실로 간주하기 위해.
• 직선 운동에서 굽힘-소용리 운동으로의 전이에 기반한 안정성 기준을 유도하기 위해.
• 입구 형상, 파이프 길이, 유속 및 물리적 파라미터를 안정성 기준에 통합하기 위해.
• 레이놀즈 수를 독립적인 매개변수로가 아니라 유도된 안정성 기준의 구성 요소로 표현하기 위해.
• 동일한 기본 원리를 사용하여 내부 및 외부 유동 문제에 이 프레임워크를 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직선 파이프 내에서 난류로의 전이를 뒷받침하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 유동의 거동을 어떻게 유연한 막대의 붕괴 불안정성과 유사시킬 수 있는가?
• RQ3 레이놀즈 수 외에 어떤 요소들이 파이프 내 직선 유동의 안정성에 영향을 미치는가?
• RQ4 레이놀즈 수는 제안된 안정성 기준과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 이 안정성 프레임워크는 외부 유동으로까지 얼마나 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 난류 전이가 직선 유동의 안정성 상실로 간주되며, 이는 유연한 막대의 붕괴와 유사하다.
• 제안된 안정성 기준은 입구 형상, 파이프 길이, 유속 및 점도, 밀도와 같은 물리적 요소를 모두 고려한다.
• 레이놀즈 수가 독립적인 불안정성 결정 요소가 아니라 국소적 유체역학적 유사성 매개변수임을 입증한다.
• 흐름의 동적 구조를 굽힘-소용리 운동으로 모델링함으로써 전이 메커니즘을 성공적으로 설명한다.
• 이 접근법은 내부 및 외부 유동 모두로 확장 가능하며, 광범위한 적용 가능성을 보여준다.
• 모델은 불안정성이 관성 효과 외에도 유체의 구조적 유사한 붕괴에서 기인한다는 통합된 프레임워크를 제공한다.