[论文解读] The laminar flow instability criterion and turbulence in pipe

S. L. Arsenjev, I. B. Lozovitski+1 more|ArXiv.org|Mar 19, 2003

Coal Combustion and Slurry Processing被引用 3

一句话总结

本文通过将流体流束建模为发生屈曲类不稳定的柔性杆，提出了一种用于管道流中层流到湍流转变的新型不稳定性判据。该判据结合了入口几何形状、管道长度、流速以及物理因素，表明雷诺数在更广泛的稳定性框架中作为局部相似性参数，该框架适用于内部流和外部流。

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.

研究动机与目标

• 开发一种物理解释机制，阐明直管中层流到湍流流动的转变过程。
• 将流体流束建模为柔性杆，以推导类似于结构屈曲的稳定性判据。
• 将几何因素、流动参数和物理参数整合到统一的不稳定性判据中。
• 重新评估雷诺数在更广泛的稳定性框架中作为局部相似性参数的作用。
• 将稳定性分析的适用范围扩展至内部流和外部流。

提出的方法

• 将管道中的层流流动建模为发生平动的柔性杆。
• 将结构屈曲的概念应用于流动，将不稳定性视为直线稳定性丧失。
• 基于从直线运动向弯曲-涡旋动力运动的转变，推导稳定性判据。
• 将入口几何形状、管道长度、流速以及物理参数整合到稳定性判据中。
• 将雷诺数表达为所推导稳定性判据的组成部分，而非独立参数。
• 使用同一基本原理，将该框架应用于内部流和外部流问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 直管中层流到湍流流动转变的物理机制是什么？
• RQ2 如何将流体流束的行为类比为柔性杆的屈曲不稳定性？
• RQ3 除了雷诺数之外，哪些因素会影响管道中直线流动的稳定性？
• RQ4 雷诺数与所提出的稳定性判据有何关系？
• RQ5 该稳定性框架在多大程度上可推广至外部流？

主要发现

• 层流到湍流的转变被解释为直线流动稳定性的丧失，类似于柔性杆的屈曲。
• 所提出的稳定性判据考虑了入口几何形状、管道长度、流速以及粘度和密度等物理因素。
• 表明雷诺数为局部水动力相似性参数，而非不稳定性独立决定因素。
• 通过将流动的动力结构建模为弯曲-涡旋运动，该判据成功解释了转变机制。
• 该方法可扩展至内部流和外部流，展现出广泛适用性。
• 该模型提供了一个统一框架，其中不稳定性源于流体流束的类似结构的屈曲，而不仅仅是惯性效应。