Effect of the centrifugal force on laminar-turbulent transition on a rotating cone

离心力对旋转锥体上层流-湍流转变的影响

基本信息

批准号：
22K20406
负责人：
加藤賢太郎
金额：
$ 1.83万
依托单位：
Shinshu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-08-31 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

滑らかな流れ(層流)から乱れた流れ(乱流)への遷移は，壁面摩擦，熱伝達，流れの剥離などの性質を著しく変えるため，流体機械，輸送機械の効率に直結する問題として研究されてきた．これらの製品は高度な研究開発を経て複雑な曲面を有しているが，一般的な３次元曲面に発達する境界層流れの乱流遷移を扱った基礎研究は少なく，最適設計の障害になっている．本研究は，３次元境界層の代表例である回転円錐上に発達する流れの渦構造とその崩壊による乱流遷移過程を光学計測を通じて解明する．頂点角度のみで幾何形状が決まる回転円錐は単純なモデルながら，頂点角度によって，横流れ不安定性による螺旋型の渦，遠心力不安定性によるリング型の渦と曲面上流れを代表する異なるタイプの渦を発生させることが知られている．本研究では，(A)遠心力による渦の崩壊作用，(B)崩壊を抑制する軸方向流れに注目し，渦の崩壊における力学的な共通原理を明らかにすることを目的とする．2022年度は，軸方向流れを導入できる信州大学の曳航水槽での実験用の回転円錐モデルを設計，製作し，現在，可視化による定性的な傾向を掴む予備実験を行っている．また，これまでの実験によって得られた半頂角が0度(回転円柱)，30度，60度,90度(回転円盤)のデータの処理を横断的に行った．これらのケースは，これまで，個別に評価されることが多く，その相違点，遷移や不安定性における共通点に着目されることが少なく，論文出版，学会発表に繋がった．

已经研究了从平滑流动（层流）到湍流（湍流）的过渡，这是一个直接与流体和运输机效率有关的问题，因为它显着改变了诸如壁摩擦，热传递和流动分离之类的特性。在进行高级研究和开发后，这些产品具有复杂的弯曲表面，但是几乎没有基础研究处理边界层流中的湍流过渡，这些转变发展为一般的三维弯曲表面，从而导致障碍物成为最佳设计。这项研究将通过光学测量阐明在旋转锥上发展的流的涡流结构，三维边界层的代表性示例，以及由于其塌陷而引起的湍流过渡过程。尽管仅通过顶点角度决定几何形状的旋转锥是一个简单的模型，但众所周知，取决于顶点角度，它可以由于横向流动不稳定性，环形涡流而引起的环形涡流，由于中心不稳定性而产生螺旋涡旋，并且不同类型的涡流代表了弯曲表面上的流动。这项研究旨在通过重点关注（a）离心力引起的涡流塌陷的影响以及（b）抑制塌陷的轴向流动，以阐明涡流崩溃的常见动态原理。在2022年，我们设计并制造了一个旋转锥模型，用于在新月大学拖曳水族馆的实验，这些水族馆可以引入轴向流，目前正在进行初步实验，以通过可视化来掌握定性趋势。此外，通过先前实验获得的数据在整个数据的处理过程中处理为0度（旋转缸），30度，60度和90度（旋转盘）。到目前为止，这些案例经常进行单独评估，差异，过渡和不稳定性的共同点尚未集中在学术会议上的出版和演讲上。