[论文解读] Relaminarization of pipe flow by means of 3d-printed shaped honeycombs

Jakob Kühnen, Davide Scarselli+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2018

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用 1

一句话总结

本研究证明，通过3D打印定制形状的蜂窝结构，可生成特定的M形轴向速度分布，从而实现完全湍流管道流的完全层流化。该方法可将摩擦阻力降低五倍，并在100至550倍管径的下游范围内实现净能量节省，具体取决于蜂窝结构设计。

ABSTRACT

Based on a novel control scheme, where a steady modification of the streamwise velocity profile leads to complete relaminarization of initially fully turbulent pipe flow, we investigate the applicability and usefulness of custom-shaped honeycombs for such control. The custom-shaped honeycombs are used as stationary flow management devices which generate specific modifications of the streamwise velocity profile. Stereoscopic particle image velocimetry and pressure drop measurements are used to investigate and capture the development of the relaminarizing flow downstream these devices. We compare the performance of straight (constant length across the radius of the pipe) honeycombs with custom-shaped ones (variable length across the radius). An attempt is made to find the optimal shape for maximal relaminarization at minimal pressure loss. The maximum attainable Reynolds number for total relaminarization is found to be of the order of 10.000. Consequently the respective reduction in skin friction downstream of the device is almost by a factor of 5. The break-even point, where the additional pressure drop caused by the device is balanced by the savings due to relaminarization and a net gain is obtained, corresponds to a downstream stretch of distances as low as approx.\ 100 pipe diameters of laminar flow.

研究动机与目标

• 研究具有可变单元长度的被动式3D打印蜂窝结构是否能够诱导完全湍流管道流的完全层流化。
• 优化蜂窝几何形状，以在最小压力损失下实现最大层流化效果。
• 确定层流化后实现净能量收益所需的最小下游距离。
• 识别实现层流化的最优轴向速度分布，特别是具有壁面速度超调和中心平台的M形分布。

提出的方法

• 通过3D打印具有径向变化单元长度的定制蜂窝结构，以生成特定的轴向速度分布变化。
• 采用立体粒子图像测速技术（SPIV）测量并分析蜂窝下游的流场速度分布。
• 进行压力降测量，以量化蜂窝引入的集中损失，并评估能量平衡。
• 在管道半径方向上，对比恒定单元长度的直蜂窝与可变单元长度的异形蜂窝的性能。
• 利用压力降模型估算净能量收益的盈亏平衡点，定义为湍流与层流压力降曲线的交点。
• 理论与实验分析聚焦于确定完全层流化的临界雷诺数阈值及相应的流场分布特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有可变单元长度的3D打印蜂窝是否能有效诱导完全湍流管道流的完全层流化？
• RQ2 实现最大层流化效果且压力损失最小的最优轴向速度分布形状为何？
• RQ3 使用异形蜂窝结构时，完全层流化在何种雷诺数下可实现？
• RQ4 实现净能量收益的下游距离如何依赖于蜂窝几何形状和层流化能力？
• RQ5 实现层流化净能量收益所需的最小管道长度是多少？

主要发现

• 使用异形蜂窝结构实现完全层流化的最大雷诺数约为10,000，显著高于经典临界雷诺数约2040。
• 层流化过程使摩擦阻力相比完全湍流状态降低五倍。
• 能量盈亏平衡点——即蜂窝压力损失被层流状态节省抵消的点——在最高效蜂窝（FMD-1-0）中于约100倍管径下游达到。
• 对于最高层流化能力（Re = 9600，对应FMD-20-9.5），盈亏平衡点出现在约550倍管径下游。
• 实现层流化的最优速度分布并非简单平坦，而是呈现M形，具有靠近管壁的超调速度和管道中心的平台区。
• 本研究证实，被动式、几何结构定制的蜂窝可比传统直蜂窝更有效地抑制湍流，尤其当其设计用于调控平均速度分布时。