粘弾性流体クエット流の渦構造に着目した抵抗低減乱流および弾性乱流の統一的理解

聚焦粘弹性流体Couette流涡结构对减阻湍流与弹性湍流的统一认识

基本信息

批准号：
19J22589
负责人：
仁村友洋
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Tokyo University of Science
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 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度では，当該研究の目的である壁面せん断流れの乱流抑制効果と粘弾性不安定性とのメカニズムを統一的理解を目指し，粘弾性不安定性の遷移現象に焦点を当てて調査を行った．粘弾性流体の平面クエット流れの数値シミュレーションと共同研究先のスウェーデン王立工科大学にて実施した可視化実験から，それぞれ粘弾性に起因する不安定性を発見した．数値シミュレーションからは他の系で報告されている弾性乱流で確認されている構造や速度分布に類似点を見出した．また，今回扱った平面クエット流れにおいては壁面近くの流れを層流状態から逸脱することなく乱れを生じることから，混合促進などの工学的な応用が期待できることが見込まれる．系に回転を加えたクエット流れの可視化実験においては，ニュートン流体では現れることのない不安定性を可視化することに成功した．その発生した不安定性の構造は，流れを特徴づけるレイノルズ数の大小と粘弾性流体の添加物濃度が高い場合と低い場合で異なる．レイノルズ数が比較的高く高濃度の場合には，乱流が抑制された抵抗低減流れで見られる流れ方向に引き伸ばされた構造が形成される．一方で，レイノルズ数が低く低濃度の場合には，流れ方向に傾いた構造を形成し，その構造の類似から弾性乱流との関連が示唆される．この関連性をより定量的に評価することを課題に残すが，乱流抑制効果と粘弾性不安定性の発生条件には，レイノルズ数と添加物濃度との２つのパラメータが重要な指標となる．これらの数値シミュレーションおよび可視化実験の成果をまとめたものは，それぞれ英文雑誌へ投稿することを予定している．

今年，我们旨在统一了解墙壁剪切流的湍流抑制作用与粘弹性不稳定性之间的机制，这是本研究的目的，并进行了针对粘弹性不稳定性过渡现象的研究。在瑞典皇家理工学院进行的粘弹性流体和可视化实验的平面轴向流量的数值模拟，我们在那里合作发现了粘弹性引起的不稳定性。数值模拟发现在其他系统中报道的弹性湍流中证实的结构和速度分布的相似之处。此外，在这次我们处理的平面Quet流中，壁表面附近的流动将导致干扰而不会偏离层流状态，因此可以预期可以预期促进混合的工程应用。在将旋转应用于系统的旋转的实验中，我们成功地可视化了不出现在牛顿流体中的不稳定性。发生的不稳定性的结构在表征流量的大小和小雷诺数与粘弹性流体的高和低添加剂浓度之间有所不同。当雷诺数相对较高且浓度高时，形成了一个结构，该结构在抑制湍流的降低电阻流动中的流动方向上拉伸。另一方面，当雷诺数数量低并且浓度较低时，形成了流动方向的结构，结构的相似性表明与弹性湍流有关系。尽管问题仍然是更定量地评估这种关系，但两个参数，雷诺的数量和添加剂浓度，是湍流抑制效应和粘弹性不稳定性的情况的重要指标。计划将这些数值模拟和可视化实验的结果提交给英文杂志。