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

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．

在本项目中，我们对两个课题进行了研究，为破译稀分散微泡流体中发生的湍流转变场景并构建理论体系奠定了基础。第一个是气泡对流。我们尝试对这种现象进行理论分析。通过线性稳定性分析确定临界条件和临界特征函数。临界特征函数根据参数显示全层或多层对流。为了阐明失稳机制，我们进行了能量平衡分析，发现作用在气泡上的升力使流动稳定。使用这个临界特征函数作为初始近似解，我们追踪了它的非线性分岔。全层对流成为亚临界分支，多层对流成为超临界分支。根据能量平衡分析，在全层对流情况下，由于非线性发展，作用在气泡上的升力从稳定作用转变为失稳作用。另一方面，在多层对流中，效果保持了稳定效果。随着非线性的发展，这两条分岔曲线都弯曲，表明存在多个非线性解。这是从理论上解释了过去的结果表明气泡对流不具有波数选择性的结果。第二种是在圆管内湍流过渡过程中观察到的孤立的湍流团（湍流泡）。湍流喷流具有自维持机制，由纵向涡流和慢条纹组成。通过实验和数值计算研究了微气泡在这种流动结构上的运动和积累模式，以及对抽吸产生的调节作用。为稀释分散的气泡流构建了立体 PIV 系统，并同时对两相进行成像。结果，我们成功地可视化了二维三分量液相速度场和气泡群。在紊流烟气产生过程中，均匀分散在管内的气泡聚集在烟气内部的纵向涡流中。研究发现，虽然微泡的加入大大增加了湍流喷流发生的概率，但它对喷流发生所需的扰动强度没有任何影响。换句话说，只有当流动具有涡流结构时，微气泡的聚集效应才会出现，从而调节流动过渡过程。