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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．

This paper aims to construct a theoretical system for the study of turbulent flow in dispersed fluids. This phenomenon is analyzed theoretically. Linear stability analysis is determined by critical conditions and critical solid relations. The critical number of layers is zero. The unstable mechanism is clearly defined. The unstable mechanism is characterized by the stability of the system. The initial approximate solution of the critical solid-dependent number is obtained by tracing the non-linear bifurcation. All layer flow is critical bifurcation, multilayer flow is supercritical bifurcation. In the case of full-layer convection, the bubble flow is increased, the nonlinear development is accompanied by the stabilization effect, and the unstable effect is replaced. A side of the multilayer flow, the effect of the stabilization effect is maintained. Non-linear solutions exist in the form of curves, which indicate the existence of a plurality of non-linear solutions. The wave number selectivity of the bubble flow is unknown. The previous results are theoretically explained. The results show that the turbulence transport process in the tube is observed. The isolated turbulence block is observed. Turbulent flow maintains the structure of the system. The structure of the flow is related to the movement, accumulation and modulation of fine bubbles, and the calculation of numerical values is investigated. The structure of thin bubble The results show that the velocity field of the two-dimensional three-component liquid phase and the visualization of bubble groups are successful. The turbulence in the tube is dispersed and bubbles are accumulated in the process of turbulence generation. The mixing of fine bubbles and turbulence increases the probability of occurrence of turbulence, and the intensity of turbulence necessary for the occurrence of turbulence affects the distribution of turbulence. The accumulation of fine bubbles in the early stage of the flow vortex structure occurs, and the regulation of the flow migration process occurs.