[论文解读] 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|Dec 29, 2009

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 47被引用 6

一句话总结

本文通过在幂律流体的管道流中引入瞬时壁面粘度，提出了一种关于非牛顿流体中时间无关湍流的统一理论。通过建模脉动式事件（流入-扫掠-喷出）的动量交换，表明当使用相位锁定参数时，归一化的壁面层厚度和临界摩擦因子在牛顿流体与非牛顿流体中均坍缩为单一曲线，表明在结构相似性条件下，湍流机制完全相同。

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

研究动机与目标

• 基于瞬时壁面参数而非时间平均参数，发展一种针对时间无关非牛顿流体中湍流的理论。
• 研究牛顿流体与纯粘性非牛顿流体中湍流机制是否在本质上相同。
• 确定是否可通过与次级流动发展相关的相位锁定参数，实现湍流中的结构相似性。
• 检验在所提出的归一化方法下，两类流体的临界摩擦因子数据是否能坍缩为单一通用曲线。
• 通过识别基于瞬时壁面动力学的不变标度律，简化非牛顿流体中湍流传输的分析。

提出的方法

• 基于经典的流入-扫掠-喷出/脉动循环，通过壁面与主流之间的非定常动量交换来建模壁面层。
• 在脉动开始时使用瞬时壁面参数定义壁面层厚度，而非时间平均值。
• 应用相位锁定参数归一化方法，以比较牛顿流体与非牛顿流体中的湍流行为。
• 使用幂律流体模型来表征具有不同流变行为指数的时间无关非牛顿行为。
• 分析脉动发生点的临界瞬时摩擦因子数据，以检验不同流体类型下是否出现普遍坍缩。
• 基于动态流动发展而非稳态平均值，采用结构相似性关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用瞬时壁面参数时，牛顿流体与时间无关非牛顿流体中的湍流机制是否仍保持相同？
• RQ2 是否可使用瞬时壁面参数对非牛顿流体的壁面层厚度进行归一化，使其与牛顿流体一致？
• RQ3 在相位锁定归一化下，牛顿流体与非牛顿流体的临界瞬时摩擦因子数据是否坍缩为单一通用曲线？
• RQ4 使用与次级流动发展相关的相位锁定参数，是否比时间平均参数更有效地实现湍流中的结构相似性？
• RQ5 通过聚焦于动态脉动事件，能否为时间无关非牛顿流体构建一个统一的湍流理论？

主要发现

• 当使用脉动开始时的瞬时壁面参数进行归一化时，牛顿流体与纯粘性非牛顿流体的壁面层厚度完全相同。
• 当使用相位锁定参数进行归一化时，牛顿流体与非牛顿流体的临界瞬时摩擦因子数据坍缩为单一通用曲线。
• 当基于动态相位锁定参数实现结构相似性时，牛顿流体与时间无关非牛顿流体中的湍流机制在本质上完全相同。
• 时间平均壁面参数无法捕捉湍流的本质动力学，而瞬时参数则揭示了潜在的普遍行为。
• 所提出的方法通过将复杂行为简化为单一标度曲线，简化了非牛顿流体中湍流传输的分析。
• 该理论支持在使用动态事件驱动归一化时，时间无关非牛顿流体中存在一种普遍的湍流结构。