Elucidation and theoretical base construction for turbulent flow transition with dilute microbubble dispersion

稀微气泡分散湍流转变的阐明及理论基础构建

基本信息

批准号：
19J10648
负责人：
中村幸太郎
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J10648/
关键词：
乱流遷移流れの安定性混相流

乱流遷移流れの安定性混相流

项目摘要

本課題では，希薄分散マイクロバブル流体に生じる乱流遷移シナリオの解読とその理論体系の構築を目的として，その土台となる２つの題材に対し研究を行った．１つ目は，気泡対流である．この現象に対して理論解析を試みた．線形安定性解析により臨界条件と臨界固有関数が決定された．臨界固有関数はパラメーターにより全層または多層対流を示した．不安定化の機構を明らかにするため，エネルギー収支解析を行った結果，気泡に働く揚力が流れを安定化させることが分かった．この臨界固有関数を初期近似解としてその非線形分岐を追跡した．全層対流は亜臨界分岐，多層対流は超臨界分岐となった．エネルギー収支解析によると，全層対流の場合，気泡に働く揚力が非線形発展に伴い安定化効果から不安定化効果に切り替わった．一方で多層対流では，その効果は安定化効果を維持した．非線形発展にともない，これら両者の分岐曲線は折れ曲がり，複数の非線形解が存在することが示された．これは気泡対流に波数選択性が無いとする過去の結果を理論的に説明する成果である．２つ目は，円管内乱流遷移過程において観察される孤立乱流塊（乱流パフ）である．乱流パフは自己維持機構を有しており，それは縦渦と低速ストリークから構成される．この流れの構造に対する微細気泡の運動・集積パターン，およびパフ発生の変調作用について実験および数値計算により調査した．希薄分散気泡流用にステレオPIVシステムを構築し，二相を同時に撮影した．その結果，二次元三成分の液相速度場と気泡群の可視化に成功した．管内を一様に分散する気泡は，乱流パフ発生の過程でパフが内包する縦渦に集積した．微細気泡の混入により，乱流パフの発生確率が急増する一方で，パフの発生に必要な撹乱強度には何ら影響を与えないことが分かった．つまり，流れが渦構造を持つことで初めて微細気泡の集積効果が発現し，流れの遷移過程に変調作用を与える．

在这个主题中，我们对两个受试者进行了研究，这些主题是破译稀释的分散微泡流体并构建理论系统中发生的湍流过渡方案的基础。首先是气泡对流。我们试图在理论上分析这种现象。通过线性稳定性分析确定临界条件和关键特征功能。关键特征函数指示全层或多层对流，具体取决于参数。为了阐明不稳定的机制，进行了能量平衡分析，发现作用在气泡上的提升力稳定了流动。这种关键特征功能用作跟踪其非线性分支的初始近似解决方案。全层对流成为亚临界分支，而多层对流成为超临界分支。根据能量平衡分析，在全层对流的情况下，作用在气泡上的升力从稳定效应变为由于非线性发育引起的稳定效应。另一方面，在多层对流中，其效果被视为稳定效果。随着非线性进化，两者的分叉曲线都是弯曲的，表明存在多种非线性溶液。这是理论上解释过去结果的结果，表明气泡对流中没有波数选择性。第二个是在圆形管道中湍流过渡过程中观察到的孤立的湍流质量（湍流）。动荡的粉扑具有一种自我维护机制，由纵向涡流和缓慢的条纹组成。通过实验和数值计算研究了细气泡在该流量结构上的运动和积累模式，以及泡芙产生的调节效应。构建了一个立体声PIV系统，用于使用稀释剂气泡流，并同时拍摄了两个相。结果，我们成功地看到了液相速度场和二维三个组件的气泡组。在湍流粉扑生成过程中，呈均匀的垂直涡流中堆积了均匀分散在管道内的气泡。已经发现，虽然湍流的机会迅速发生，但由于包含细气泡，但它对产生泡芙所需的干扰强度没有影响。换句话说，只有当流量具有涡旋结构时，才会产生细气泡的积累效应，这会调节流过渡过程。