Forskere kvantificerer begyndelsen af turbulens i et rør, der er bøjet tilbage mod sig selv
Hvor meget stress udsættes rørene for, når en væske strømmer gennem dem, og hvordan afhænger det af rørets krumningsgrad?
Bøjninger i rør er særligt afgørende, for eksempel i aortabuen, der forbinder til venstre ventrikel i det menneskelige hjerte. Rørsystemer i industrielle anlæg inkluderer ofte bøjninger på 90 grader eller mere, kan være spiralformede og kan endda have 180 graders bøjninger. Væskemekanikere i Sverige har analyseret væskeflow i sådanne rør med en 180 graders bøjning. Deres forskning er publiceret i tidsskriftet Physical Review Fluids .
Bøjninger i rør er anderledes end deres lige sektioner, fordi der i de buede sektioner er udadgående centrifugalkræfter på grund af væskens inerti indeni. Denne kraft afbalanceres af en trykgradient fra rørets ydre væg til indervæggen. Fordi væskehastighederne i en imaginær skive gennem røret ikke vil være ens i den buede sektion - for eksempel vil hastigheden nær rørets ydre væg være større end nær den indvendige væg - et sekundært strømningsmønster, udover bevægelsen gennem røret, er opsat vinkelret på hovedstrømningsretningen.
Denne bevægelse er et par modsat roterende, symmetriske hvirvler, kaldet Dean hvirvler, efter den britiske videnskabsmand William Reginald Dean, som dukker op i det første bøjning i røret og kan komplicere flowet efter, for både laminært og turbulent flow.
For en enkelt bøjning kan flowets indre geometri beskrives ved Dean-tallet, som afhænger af rørets radius i forhold til mængden af krumning i bøjningen, og væskens Reynolds-tal, som er forholdet mellem inertikræfter til viskøse kræfter i en væske. Væsker har et kritisk Reynolds-tal, der karakteriserer deres overgang fra jævn, laminær strømning til turbulent strømning, og denne kan være dobbelt så stor som ved lige strømning. (Faktisk kan turbulent strømning fra et lige rør vende tilbage til laminært, når det kommer ind i en spiralsektion af røret.)
Omtrent angiver Reynolds tal under 2.000 laminært flow, dem over 3.500 turbulent flow, med en overgang fra laminært til turbulent flow et sted midt imellem. Dekannummeret måler intensiteten af det interne, sekundære flow.
Daniele Massaro og kolleger ved KTH Royal Institute of Technology i Stockholm brugte en raffineret metode til numerisk, beregningsmæssigt at løse de berømte komplicerede Navier-Stokes væskeligninger for at analysere overgangen (fra laminær til turbulent strømning) i et idealiseret rør med en bøjning på 180 grader, der sammenligner deres resultater med tidligere resultater for albue (90 graders bøjning) og toroidale rør.
Ved at antage en repræsentativ rørkrumning på 1/3 - forholdet mellem radius af et tværsnit af røret og krumningsradius - opdelte gruppen den simulerede væske i omkring 30 millioner gitre, ikke alle ensartede. De løste derefter ligningerne for gitterpunkterne, som de ændrede sig med tiden.
Ved at udføre en stabilitetsanalyse - bestemmelse af væksten af små, uendeligt små ufuldkommenheder, der vises i den indledende glatte væske - bestemmer beregningen ændringerne i væsken, når den runder bøjningen. Ændringerne sker gennem alle væskens lodrette tværsnit og langs rørets længde. På denne måde kan strømmens overgang fra laminær til turbulent bestemmes.
Den intense beregning - som supercomputere var påkrævet for, sagde Massaro, med kørsler, der kunne tage måneder - fandt, at det kritiske Reynolds-tal for overgangen var 2.528. Dette er området for væskens Reynolds-nummer, uanset type, hvor ustabilitet opstår, og strukturens form fører til overgangen til turbulens. Dette overgangspunkt er også kendt som en "Hopf-bifurkation". Ustabiliteten for 180-graders bøjningen udvikler sig meget ligesom en 90-graders bøjning. Det kritiske Reynolds-tal for en 90-graders bøjning er 2.531, og for en torus 3.290.
På grund af den detaljerede karakter af ustabiliteten forventes rør med bøjninger større end 180 grader at være ens, op til et punkt. For rør med kortere bøjninger skal Hopf-bifurkationen forsvinde, når bøjningsvinklen nærmer sig nul, mens flowet forbliver laminært. Gruppen vurderer, at bifurkationen forsvinder ved en bøjning på omkring 20 grader.
Selvom forskningen har åbenlyse industrielle anvendelser, er udvidelsen til hjertet ikke ligetil på grund af forskellen mellem faktisk blod og denne undersøgelses idealiserede flow. "Vores undersøgelse hjælper med at forstå, hvor en pludselig overgang i den, sædvanligvis, laminære aortabue kan forekomme," sagde Massaro, medforfatter til undersøgelsen og en kandidatstuderende i afdelingen for ingeniørmekanik ved KTH Royal Institute of Technology i Stockholm . "Ja, det turbulente regime i aorta kan potentielt være relateret til forskellige hjertesygdomme."
Flere oplysninger: Daniele Massaro et al., Global stabilitet på 180∘ -bøj rørstrøm med mesh-adaptivitet, Physical Review Fluids (2023). DOI:10.1103/PhysRevFluids.8.113903
Journaloplysninger: Fysiske gennemgangsvæsker
© 2023 Science X Network
Varme artikler
-
Spøgelsesagtige røntgenbilleder kunne give nøgleoplysninger til analyse af røntgenlasereksperime…SLAC-forskere foreslår at bruge tilfældigheden af efterfølgende røntgenimpulser fra en røntgenlaser til at studere impulsernes interaktion med stof, en metode, de kalder pump-probe ghost imaging. Kr -
Højhastighedsbilleder kaster lys over, hvordan metaller fejlerEn legeringsprøve, der strækkes foran laser-højhastighedskameraet. Kredit:Aalto University Hvordan ting deformeres og går i stykker er vigtigt for ingeniører, da det hjælper dem med at vælge og de -
Forskere udtænker en ny måde at undersøge bevægelsen af lavenergi-elektroner påDet optiske hulrum indvirker i en bar kernepartikel (øvre) og en kernepartikel belagt med en skal (øvre). Der er vist variationer i kvadratet af den lokale lysintensitet I2, som kan bruges til rumlig -
Teoretikere opdager Rosetta -stenen for neutrino -fysikFra venstre:Xining Zhang fra University of Chicago, Peter Denton fra Brookhaven National Laboratory og Stephen Parke fra Fermilab har opdaget en ny matematisk identitet, der havde unddraget matematike
- Nyt værktøj trækker undvigende COVID-19-markør fra menneskeblod
- Robotteleskop finder den nærmeste kendte asteroide til at flyve ved Jorden
- Californien, klimaændringer og traumer fra det sidste årti
- Eksotiske neutrinoer vil være svære at pirre ud
- Sådan fremstilles en citronsyrebufferopløsning
- Hvordan fik Jorden sit vand? Svaret kan findes på Merkur