管の流れの逆遷移に関する研究

Jun 01, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12333 (2023) この記事を引用

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パイプの流れの逆遷移では、乱流は乱れの少ない層流に変化します。 流れのエントロピーが減少しているように見えます。 この研究では、流れの乱れの観点からではなく、エントロピー変化と運動量平衡モデルを使用して、逆転移を実験的および理論的に調べました。 逆転移は、レイノルズ数を減少させることによって達成されました。 遷移は局所レイノルズ数とほぼ相関していました。 遷移の初期レイノルズ数は大きくなり、低レイノルズ数での圧力は通常のパイプ流よりも大きくなりました。 これらの挙動は、パイプ内の乱流が逆遷移することによって引き起こされました。 発達領域の摩擦によるエントロピーを含めることで、逆転移においてエントロピーが減少しないことを示した。

層流から乱流への移行は、19 世紀にレイノルズによって初めて説明され 1、それ以来、パイプやダクトの流れで研究されてきました。 遷移現象は一般的で一見単純ですが、解決すべき問題がいくつか残されています。 問題の 1 つは、逆遷移としても知られる「再層状化」の発生です2、3、4、5、6、7、8、9。 乱れた乱流が乱れの少ない層流に変化する現象です。 その結果、流れのエントロピーが減少するように見えます。 ナラシンハとスリーニヴァサン 2 は、「この問題が言及されたときの一般的な反応は、無秩序から秩序への暗黙の移行は熱力学的に不可能であるというものでした。」と報告しました。 Patel と Head3 は、パイプの流れと境界層における逆遷移の類似点と相違点を調査しました。 Sibulkin6 は、レイノルズ数が小さいほど再層状化転移がより急速に起こると報告しました。 Narayanan7 は、逆トランジションに必要な距離を報告しました。 関氏と松原氏8は、再層状化の場合の臨界レイノルズ数について議論しました。 これらの研究では、レイノルズ数を 1400 から 1700 の範囲であると報告されている臨界レイノルズ数未満に減少させることによって逆遷移を実現しました。臨界レイノルズ数を下回ると、層流から乱流への遷移はありません。 逆遷移は、外乱の消散の観点から議論されています。 しかし、逆転移が熱力学の第 2 法則に違反しているように見えるかどうかという質問に対する答えはまだありません。

Kanda10 は、遷移領域における運動量平衡による直管流における典型的な層流から乱流への遷移を研究しました。 Hattori et al.11 は、発達領域から遷移領域への流入乱流が、外乱ではなくエントロピー変化によって下流の遷移条件に影響を与えることを明らかにしました。 これらの関係は、外乱があるかどうかに関係なく、流れが層流または乱流の場合でも物理学の基本です。

本研究では、パイプの流れの逆遷移を実験的および理論的に調べた。 エントロピー変化と運動量平衡モデルを使用して、逆遷移の条件と逆遷移を受けるパイプ流の層流から乱流への遷移を調べました。 実験結果と解析結果を示した。

パイプの流れの状態は、インクの視覚化と圧力測定によって監視されました。 径の異なる2本のウレタンパイプを分岐ダクトで接続しました。 図 1 に実験装置の概略図を示します。 径の異なる2本のウレタンパイプを分岐ダクトで接続しました。

実験的なセットアップ。 (a) 実験セットアップの概略図、(b) パイプ A の分岐パイプ ブロック、(c) パイプ B の分岐パイプ ブロック。

この状況では、レイノルズ数は上流パイプよりも下流パイプの方が小さくなりました。 上流/下流パイプの分岐比が逆遷移に及ぼす影響を調査するために、接続された 2 セットのパイプをテストしました。 配管Ａは、内径Ｄ１＝６．５ｍｍ、長さＬ１＝１．７３ｍの配管と、下流側の内径Ｄ２＝１１ｍｍ、長さＬ２＝２．１３ｍの配管とを接続したものである。 配管Ｂでは、上流側配管に内径Ｄ１＝８ｍｍ、長さＬ１＝２．１３ｍの配管を使用した。 比較のために、下流パイプを通常のパイプとして単独でテストし、パイプ C と指定しました。