[논문 리뷰] The wall shear rate in non-Newtonian turbulent pipe flow

Khanh Tuoc Trịnh|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 16.

Rheology and Fluid Dynamics Studies참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비뉴턴성 난류 파이프 유동에서 벽면 유속 기울기(또는 벽면 점성응력 기울기)를 계산하기 위한 통합된 방법을 제시한다. 이 방법은 라미너 및 난류 데이터를 하나의 유일한 보편적 흐름 곡선으로 압축함으로써, 다양한 흐름 영역에서 정확한 벽면 유속 기울기 예측이 가능하게 하며, 비뉴턴 유체를 위한 신뢰할 수 있는 난류 유량계의 설계 기반을 제공한다.

ABSTRACT

This paper presents a method for calculating the wall shear rate in pipe turbulent flow. It collapses adequately the data measured in laminar flow and turbulent flow into a single flow curve and gives the basis for the design of turbulent flow viscometers. Key words: non-Newtonian, wall shear rate, turbulent, rheometer

연구 동기 및 목표

• 비뉴턴성 유체의 난류 파이프 유동 조건에서 벽면 유속 기울기를 일관되게 계산하는 방법을 개발하는 것.
• 비뉴턴성 유체의 라미너 및 난류 흐름 거동 간 격차를 보편적 스케일링 접근법을 통해 메우는 것.
• 비뉴턴성 유체에 적용 가능한 난류 유량계 설계를 위한 이론적 및 실용적 기반을 제공하는 것.
• 복잡한 유체를 포함한 산업 및 실험적 응용 분야에서 벽면 유속 기울기 추정의 정확도를 향상시키는 것.

제안 방법

• 이 방법은 라미너 및 난류 영역의 실험 데이터를 하나의 보편적 곡선으로 압축하기 위해 무차원 스케일링 접근법을 사용한다.
• 일반화된 레이놀즈 수와 비뉴턴 점성도 모델을 사용하여 다양한 흐름 영역 간의 흐름 거동을 정규화한다.
• 압력 강하, 유량 및 파이프 기하학적 특성 간의 관계를 이용해 보편적 곡선에서 벽면 유속 기울기를 유도한다.
• 파워 법칙 모델을 통해 비뉴턴 유체의 점성계수 감소 또는 증가 성향(점성계수 감소 또는 증가)을 고려한다.
• 다양한 흐름 조건에서 예측된 벽면 유속 기울기를 실험 데이터와 비교하여 방법의 타당성을 검증한다.
• 최종 모델은 유량 및 파이프 지름과 같은 측정 가능한 양으로부터 직접적으로 벽면 유속 기울기를 계산할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비뉴턴성 파이프 유동의 라미너 및 난류 데이터는 하나의 보편적 흐름 곡선으로 압축될 수 있는가?
• RQ2 비뉴턴성 유체의 라미너 및 난류 영역 모두에서 벽면 유속 기울기를 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ3 비뉴턴성 난류 흐름 거동을 통합하기 위해 필요한 스케일링 파라미터는 무엇인가?
• RQ4 기존의 접근 방식에 비해 제안된 방법이 벽면 유속 기울기 추정의 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 이 방법은 비뉴턴성 유체를 위한 실용적인 난류 유량계 설계의 기초로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 비뉴턴성 유체의 라미너 및 난류 흐름 데이터를 성공적으로 하나의 보편적 곡선으로 압축한다.
• 보편적 곡선을 사용하여 다양한 레이놀즈 수 및 유체 거동 범위에서 벽면 유속 기울기를 정확히 예측할 수 있다.
• 점성계수 감소 성향을 보이는 유체에 대해 이 방법은 실험 데이터와의 편차가 최소화되어 일관된 성능을 보인다.
• 이 방법은 비뉴턴성 유체의 난류 조건에서 안정적으로 작동하는 유량계 설계를 가능하게 한다.
• 적절히 스케일링된 경우 보편적 곡선은 특정 유체 파라미터에 의존하지 않고 강인하다.
• 기존의 경험적 상관관계에 비해 비뉴턴성 난류 흐름에 대한 예측 정확도가 크게 향상된다.