Исследование обратного перехода течения в трубах

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12333 (2023) Цитировать эту статью

377 Доступов

Подробности о метриках

При обратном переходе течения в трубе турбулентное течение сменяется менее возмущенным ламинарным течением. Энтропия потока, по-видимому, уменьшается. В этом исследовании обратный переход исследовался экспериментально и теоретически с использованием моделей изменения энтропии и баланса импульса, а не с точки зрения возмущения потока. Обратный переход осуществлялся за счет уменьшения числа Рейнольдса. Переходы примерно коррелировали с локальными числами Рейнольдса. Начальное число Рейнольдса перехода стало больше, а давление при малых числах Рейнольдса было больше, чем при обычном трубном течении. Такое поведение было вызвано турбулентным потоком в трубе, претерпевающим обратный переход. Мы показали, что энтропия не уменьшается при обратном переходе, включая энтропию из-за трения в области развития.

Переход от ламинарного режима к турбулентному был впервые описан Рейнольдсом в девятнадцатом веке1, и с тех пор он изучается в потоках в трубах и воздуховодах. Хотя явление перехода является обычным и, по-видимому, простым, еще предстоит решить несколько проблем. Одной из проблем является возникновение «реламинаризации», также известной как обратный переход2,3,4,5,6,7,8,9. При этом явлении возмущенное турбулентное течение сменяется менее возмущенным ламинарным течением. Следовательно, энтропия потока, по-видимому, уменьшается. Нарасимха и Шринивасан2 сообщили, что «обычной реакцией при упоминании этого предмета было то, что подразумеваемый переход от беспорядка к порядку термодинамически невозможен!» Патель и Хед3 исследовали сходства и различия обратных переходов в потоках труб и пограничных слоях. Сибулкин6 сообщил, что реламинаризирующий переход происходит быстрее при меньших числах Рейнольдса. Нарайанан7 сообщил расстояние, необходимое для обратного перехода. Секи и Мацубара8 обсудили критическое число Рейнольдса в случае реламинаризации. В этих исследованиях был реализован обратный переход за счет уменьшения числа Рейнольдса до значения, меньшего критического числа Рейнольдса, которое, как сообщалось, находится в диапазоне от 1400 до 1700. Ниже критического числа Рейнольдса переход от ламинарного потока к турбулентному не происходит. Обратный переход обсуждался с точки зрения диссипации возмущения. Однако до сих пор не найден ответ на вопрос, нарушает ли обратный переход второй закон термодинамики.

Канда10 исследовал типичный ламинарно-турбулентный переход в прямотрубном потоке путем баланса импульса в переходной области. Хаттори и др.11 показали, что турбулентность притока из области развития в переходную область влияет на состояние перехода ниже по течению посредством изменения энтропии, а не с точки зрения возмущения. Эти отношения являются фундаментальными в физике, даже когда поток ламинарный или турбулентный, независимо от того, есть ли возмущение.

В настоящей работе экспериментально и теоретически исследован обратный переход в трубопроводном течении. Условия обратного перехода и ламинарно-турбулентного перехода в трубопроводном потоке, претерпевающем обратный переход, были исследованы с использованием моделей изменения энтропии и баланса импульса. В данной статье представлены экспериментальные и аналитические результаты.

Условия потока в трубе контролировались с помощью чернильной визуализации и измерения давления. Две уретановые трубы разного диаметра были соединены расходящимся воздуховодом. На рис. 1 представлена ​​схема экспериментальной установки. Две уретановые трубы разного диаметра были соединены расходящимся воздуховодом.

Экспериментальная установка. (а) Схема экспериментальной установки, (б) расширяющийся блок труб трубы А и (в) расширяющийся блок труб трубы Б.

В этой ситуации число Рейнольдса было меньше в нисходящей трубе, чем в восходящей трубе. Чтобы исследовать влияние коэффициента расхождения входных и выходных труб на обратный переход, были протестированы два комплекта соединенных труб. В Трубе А труба с внутренним диаметром D1 = 6,5 мм и длиной L1 = 1,73 м была соединена с выходной трубой с внутренним диаметром D2 = 11 мм и длиной L2 = 2,13 м. В Трубе B в качестве входной трубы использовалась труба с внутренним диаметром D1 = 8 мм и длиной L1 = 2,13 м. Для сравнения, выходная труба была испытана отдельно как обычная труба, получившая обозначение Труба C.