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，我们重点关注粘弹性失稳的转变现象，旨在对壁面剪切流的湍流抑制作用与粘弹性失稳之间的机理达成统一的认识，这也是本次研究的目的。通过粘弹性流体中平面库埃特流的数值模拟以及我们的联合研究伙伴瑞典皇家理工学院进行的可视化实验，我们发现了粘弹性引起的不稳定性。通过数值模拟，我们发现了其他系统中报告的弹性湍流的结构和速度分布的相似性。此外，在这里处理的平面库埃特流中，在靠近壁面的流动中产生湍流，而没有偏离层流状态，因此预计该方法将具有促进混合等工程应用。在通过向系统添加旋转来可视化库埃特流动的实验中，我们成功地可视化了牛顿流体中不会出现的不稳定性。所产生的不稳定性的结构根据表征流动的雷诺数以及粘弹性流体的添加浓度高或低而不同。当雷诺数相对较高且浓度较高时，会形成沿流动方向拉长的结构，这在湍流受到抑制的减阻流中可见。另一方面，当雷诺数低且浓度低时，形成沿流动方向倾斜的结构，并且该结构的相似性表明与弹性湍流的关系。尽管更定量地评估这种关系仍然是一个挑战，但雷诺数和添加剂浓度这两个参数是湍流抑制效果和粘弹性不稳定发生条件的重要指标。我们计划将这些数值模拟和可视化实验的结果提交给英文期刊。