[論文レビュー] Flow-induced breakup of drops and bubbles

Suhas Jain S|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2017

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 70被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、滴および気泡の流れ誘発破壊の物理的メカニズムをレビューし、粘性、慣性、乱流の3つの領域に分類して解説する。臨界直径、破壊時間、変形閾値といった重要なパラメータを特定し、ウェーバー数やキャピラリー数などの無次元数を用いた、多相流における破壊のモデリングの包括的フレームワークを提供する。

ABSTRACT

Breakup of drop/bubble can be viewed as a result of fundamental force balance when the disruptive force is greater than the restorative force. A disruptive force acting on the drop/bubble tries to deform it, whereas a restorative force refrains it from deforming. Studying breakup and coalescence phenomenon is utmost important since it governs the amount of interfacial area and hence the exchange of heat, mass and momentum across the interface. It also helps in the development of better closure relations for modeling large scale systems. In this paper, abundant literature consisting of theoretical, experimental and numerical works up to date is reviewed. Broadly, breakup is classified into viscous, inertial and complex turbulent breakup. Physics involved and non-dimensional numbers governing the drop and bubble breakup in various flow configurations are discussed. Characteristic parameters of the breakup such as critical diameter ($d_{max}$), maximum deformation, breakup time ($t_b$), wavelength of disturbance ($λ$), impurities in the flow, initial shape of the drop/bubble, history of the flow and critical values of non-dimensional numbers are examined and the important parameters are listed for ready-to-use in modeling approaches. Finally, scope for future work in number of areas is identified.

研究の動機と目的

• 分散多相流におけるモデリングの向上を目的とした、滴および気泡の破壊のメカニズム的理解を体系化すること。
• 臨界直径、破壊時間、最大変形といった破壊を支配する重要なパラメータを特定・整理すること。
• 流れの状態（粘性、慣性、乱流）に基づく破壊メカニズムの分類および関連する次元なし数の特定。
• 破壊と凝集の効果を分離することで、Euler二相流CFDシミュレーションにおける信頼性の高い閉じ込めモデルの構築に基盤を提供すること。
• 特に浮力を伴う乱流における現在の理解のギャップを強調し、今後の研究の方向性を示唆すること。

提案手法

• 2017年までの滴および気泡の破壊に関する理論的・実験的・数値的研究を体系的にレビュー。
• 支配的力に基づく破壊メカニズムの分類：低レイノルズ数では粘性せん断力（低Re）、高レイノルズ数では慣性力（高Re）、乱流では渦との相互作用。
• ウェーバー数、キャピラリー数、オーナースォー数、エーベルトス数、ボンド数、モルトン数などの無次元数を分析し、破壊の閾値を特徴づける。
• 主なパラメータの検討：臨界直径 $d_{\text{max}}$、破壊時間 $t_b$、最大変形、摂動の波長 $\lambda$、不純物の影響。
• 短時間の相互作用を伴う乱流における破壊ダイナミクスを解釈するため、非定常形状係数（USF）モデルの使用。
• 均一な乱流と浮力駆動流における破壊行動の比較を通じて、振動の減衰および破壊メカニズムの違いを同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粘性、慣性、乱流の各流れ状態において、滴および気泡の破壊を支配する主な物理的メカニズムは何か？
• RQ2 ウェーバー数やキャピラリー数といった無次元数は、異なる流れ条件下で破壊の発生をどのように予測できるか？
• RQ3 特に乱流において、流れの履歴が破壊時間および変形ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ4 浮力が均一な乱流と比較して、乱流中の粒子の変形および破壊行動にどのように影響を及えるか？
• RQ5 破壊の発生を定義づける変形、直径、時間の臨界値は何か？また、これらは流れパラメータにどのように依存するか？

主な発見

• 低レイノルズ数の流れでは、破壊は粘性せん断応力によって支配され、キャピラリー数、粘度比、不純物濃度に依存する。
• 高レイノルズ数の流れでは、慣性力が支配的であり、破壊は主にウェーバー数およびオーナースォー数によって制御される。
• 乱流では、個々の乱流渦との相互作用によって破壊が発生し、相互作用時間 $t_i \ll 1/f_2$ の場合、破壊時間 $t_b$ は2次モード固有振動数 $f_2$ の逆数に比例する。
• 浮力を伴う乱流における破壊を引き起こす臨界変形は、均一な乱流で観測された値と一致しており、同様の閾値行動を示す。
• 形状振動の減衰は、自然振動数 $f_2$ と同等の timescale で発生し、確率的共鳴の兆候は認められないため、単一の渦との相互作用が破壊を支配することが示唆される。
• 乱流バブルコラムにおける破壊時の瞬時のウェーバー数は通常約10であり、破壊のための特徴的なエネルギー閾値を示している。