Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Đặc điểm giảm lực cản của dòng chảy kênh rối với phụ gia hoạt động bề mặt thông qua phân tích chính tắc và biến đổi wavelet
Tóm tắt
Để khám phá các đặc điểm giảm lực cản của dòng chảy kênh rối với phụ gia hoạt động bề mặt ở số Reynolds tương đối cao từ góc độ quang phổ năng lượng và phân giải nhiều quy mô, các trường vận tốc biến động hai chiều của dòng chảy kênh rối có/không có phụ gia hoạt động bề mặt ở số Reynolds Reτ = 590 thu được bằng mô phỏng lớn cơn lốc đã được phân rã bằng phân tích chính tắc hai chiều (POD) và biến đổi wavelet (WT). Kết quả POD cho thấy chế độ riêng thấp hơn chiếm phần lớn năng lượng có thể được sử dụng để nắm bắt các cấu trúc xoáy quy mô lớn, và ít chế độ riêng hơn có thể được sử dụng để nắm bắt các cấu trúc đồng bộ (CSs) trong trường hợp dung dịch phụ gia hoạt động bề mặt so với trong chất lỏng Newton. Các cấu trúc không gian được mô tả bởi chế độ riêng POD cho thấy rằng lớp đệm có xu hướng di chuyển về phía trung tâm của kênh trong dung dịch phụ gia hoạt động bề mặt. Qua phân tích wavelet về các trường vận tốc biến động trong các mặt phẳng hướng dòng-thành, người ta nhận thấy rằng các CSs chủ yếu phân bố trong khu vực gần tường và số lượng CSs ít hơn trong dung dịch phụ gia hoạt động bề mặt. Kết quả của phép đo cắt Reynolds địa phương (LRM) cho thấy rằng đóng góp địa phương của các CSs vào tính gián đoạn trong dòng chảy kênh rối của dung dịch phụ gia hoạt động bề mặt giảm, cho thấy sự ức chế tính gián đoạn bởi phụ gia hoạt động bề mặt. Để điều tra các đặc điểm giảm lực cản ở các vị trí khác nhau dọc theo hướng gần tường, các trường vận tốc biến động trong các mặt phẳng hướng dòng - hướng ngang tại các vị trí gần tường khác nhau đã được phân rã bằng WT hai chiều. Kết quả cho thấy rằng phụ gia hoạt động bề mặt chủ yếu ảnh hưởng đến dòng chảy trong vùng gần tường (đặc biệt là trong lớp đệm) và do đó gây ra hiệu ứng giảm lực cản.
Từ khóa
#những đặc điểm giảm lực cản #dòng chảy kênh rối #phụ gia hoạt động bề mặt #phân tích chính tắc #biến đổi waveletTài liệu tham khảo
Adrian, R.J., K.T. Christensen, and Z.C. Liu, 2000, Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields, Exp. Fluids29, 275–290.
Bacry, E., A. Arneodo, U. Frisch, Y. Gagne, and E. Hopfinger, 1991, Wavelet analysis of fully developed turbulence data and measurement of scaling exponents, In: Metais, O. and M. Lesieur, eds., Turbulence and Coherent Structures, Springer, Dordrecht, pp. 203–215.
Ball, K.S., L. Sirovich, and L.R. Keefe, 1991, Dynamical eigenfunction decomposition of turbulent channel flow, Int. J. Numer. Methods Fluids21, 585–604.
Beris, A.N., M. Avgoust, and A. Souvaliotis, 1992, Spectral calculations of viscoelastic flows: evaluation of the Giesekus constitutive equation in model flow problems, J. Non-Newtonian Fluid Mech.44, 197–228.
Bernero, S. and H.E. Fiedler, 2000, Application of particle image velocimetry and proper orthogonal decomposition to the study of a jet in a counterflow, Exp. Fluids29, S274–S281.
Bewersdprff, H.W. and D. Ohlendorf, 1988, The behavior of drag-reducing cationic surfactant solutions, Colloid Polym. Sci.226, 941–955.
Burger, E.D., W.R. Munk, and H.A. Wahl, 1982, Flow increase in trans-Alaska pipeline through use of a polymeric drag-reducing additive, J. Pet. Technol.34, 377–386.
Cai, W.H., F.C. Li, and H.N. Zhang, 2010, DNS study of decaying homogeneous isotropic turbulence with polymer additives, J. Fluid Mech.665, 334–356.
Cai, W.H., F.C. Li, H.N. Zhang, Y. Wang, and L. Wang, 2012, Analysis of coherent structures in drag-reducing polymer solution flow based on proper orthogonal decomposition, Sci. China: Phys. Mech. Astron.55, 854–860.
Camussi, R. and G. Guj, 1997, Orthonormal wavelet decomposition of turbulent flows: intermittency and coherent structures, J. Fluid Mech.348, 177–199.
Daubechies, I., 1988, Orthonormal bases of compactly supported wavelets, Commun. Pure Appl. Math.41, 909–996.
Dean, R.B., 1978, Reynolds number dependence of skin friction and other bulk flow variables in two-dimensional rectangular duct flow, J. Fluids Eng.100, 215–223.
Farge, M. and G. Rabreau, 1988, Wavelet transform to detect and analyze coherent structures in two-dimensional turbulent flows, Comptes Rendus De L’Académie Des Sciences Serie li307, 1479–1486.
Fukagata, K., K. Iwamoto, and N. Kasagi, 2002, Contribution of Reynolds stress distribution to the skin friction in wall-bounded flows, Phys. Fluids14, L73–L76.
Li, F.C., B. Yu, J.J. Wei, and Y. Kawaguchi, 2012, Turbulent Drag Reduction by Surfactant Additives, John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd., Singapore.
Li, F.C., D.Z. Wang, Y. Kawaguchi, and K. Hishida, 2004, Simultaneous measurements of velocity and temperature fluctuations in thermal boundary layer in a drag-reducing surfactant solution flow, Exp. Fluids36, 131–140.
Li, F.C., L. Wang, and W.H. Cai, 2015, A new mixed subgridscale model for large eddy simulation of turbulent drag-reducing flows of viscoelastic fluids, Chin. Phys. B24, 074701.
Li, F.C., Y. Kawaguchi, B. Yu, J.J. Wei, and K. Hishida, 2008, Experimental study of drag-reduction mechanics for a dilute surfactant solution flow, Int. J. Heat Mass Transf.51, 835–843.
Li, F.C., Y. Kawaguchi, K. Hishida, and M. Oshima, 2006, Investigation of turbulence structures in a drag-reduced turbulent channel flow with surfactant additive using stereoscopic particle image velocimetry, Exp. Fluids40, 218–230.
Li, F.C., Y. Kawaguchi, T. Segawa, and K. Hishida, 2005, Reynolds-number dependence of turbulence structures in a drag-reducing surfactant solution channel flow investigated by particle image velocimetry, Phys. Fluids17, 075104.
Li, L., 2000, Wavelet Analysis of Wall Turbulence, Ph.D Thesis, Tsinghua University, China.
Lumley, J.L., 1967, The structure of inhomogeneous turbulent flows, In: Tatarski, V.I. and A.M. Yaglom, eds., Atmospheric Turbulence and Radio Wave Propagation — Proceedings of the International Colloquium — Moscow, June 15–22, 1965, Publishing House Nauka, Moscow, pp. 166–178.
Mallat, S.G., 1989, A theory for multiresolution signal decomposition: The wavelet representation, IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell.11, 674–693.
Meneveau, C., 1991, Analysis of turbulence in the orthonormal wavelet representation, J. Fluid Mech.232, 469–520.
Moin, P. and R.D. Moser, 1989, Characteristic-eddy decomposition of turbulent in a channel, J. Fluid Mech.200, 471–486.
Moster, R.D., J. Kim, and N.N. Mansour, 1999, Direct numerical simulation of turbulent channel flow up to Reτ = 590, Phys. Fluids11, 943–945.
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, 2007, Successful 65% Reduction in the Energy Consumption of a Circulating Pump by Using a Surfactant, (Retrieved from https://www.aist.go.jp/aist_e/list/latest_research/2007/20070618/20070618.html).
Saracco, G. and P. Tchamitchian, 1989, A study of acoustic transmission of transient signal in an inhomogeneous medium with the help of wavelet transform-application to an air-water interface, In: Bourrely, E., P. Chiapetta, and B. Torresani, eds., Proceedings of Electromagnetic and Acoustic Scattering: Detection and Inverse Problem, Marseille-Luminy, France, pp. 222–241.
Shi, L.L., Y.Z. Liu, and J.J. Wan, 2010, Influence of wall proximity on characteristics of wake behind a square cylinder: PIV measurements and POD analysis, Exp. Therm. Fluid Sci.34, 28–36.
Sirovich, L., 1987a, Turbulent and dynamics of coherent structure. I. Coherent structures, Quant. Appl. Math.45, 561–571.
Sirovich, L., 1987b, Turbulent and dynamics of coherent structure. II. Symmetries and transformations, Quant. Appl. Math.45, 573–582.
Sirovich, L., 1987c, Turbulent and dynamics of coherent structure. III. Dynamics and scaling, Quant. Appl. Math.45, 583–590.
Thais, L., A.E. Tejada-Martinez, T.B. Gatski, and G. Mompean, 2010, Temporal large eddy simulations of turbulent viscoelastic drag reduction flows, Phys. Fluids22, 013103.
Toms, B.A., 1949, Some observations on the flow of linear polymer solutions through straight tubes at large Reynolds numbers, In: Proc. 1st Int. Congress on Rheology, vol. II, North Holland Publish Co., Amsterdam, pp. 135–142.
Walker, D.T. and W.G. Tiederman, 1990, Turbulent structure in a channel flow with polymer injection at the wall, J. Fluid Mech.218, 377–403.
Wang, L., Z.Y. Zheng, J.Q. Bao, T.Z. Wei, W.H. Cai, and F.C. Li, 2017a, Wavelet analysis on the drag-reducing characteristics of turbulent channel flow with surfactant additive based on experimental data, Can. J. Phys.95, 1115–1121.
Wang, L., Z.Y. Zheng, W.H. Cai, and F.C. Li, 2017b, Wavelet analysis of coherent structures and intermittency in forced homogeneous isotropic turbulence with polymer additives, Adv. Mech. Eng.9, 1–12.
Wang, Y., B. Yu, and X. Wu, 2011, POD study on the mechanism of turbulent drag reduction and heat transfer reduction based on direct numerical simulation, Prog. Comput. Fluid Dyn.11, 149–159.
Wang, Y., B. Yu, X. Wu, and P. Wang, 2012, POD and wavelet analyses on the flow structures of a polymer drag-reducing flow based on DNS data, Int. J. Heat Mass Transf.55, 4849–4861.
Wang, Y., W.H. Cai, X. Zheng, H.N. Zhang, and F.C. Li, 2017c, Experimental study on two oscillating grid turbulence with viscoelastic fluids based on PIV, Can. J. Phys.95, 1271–1277.
Warholic, M.D., G.M. Schmidt, and T.J. Hanratty, 1999, The influence of a drag-reducing surfactant on a turbulent velocity field, J. Fluid Mech.338, 1–20.
Willmarth, W.W. and S.S. Lu, 1972, Structure of the Reynolds shear stress near the wall, J. Fluid Mech55, 65–69.
Wu, X., B. Yu, and Y. Wang, 2013, Wavelet analysis on turbulent structure in drag-reducing channel flow based on direct numerical simulation, Adv. Mech. Eng.2013, 514325.
Yang, X., 2010, Study on Direct Numerical Simulations of Turbulent Convective Heat Transfer Influenced by Buoyancy, Ph.D Thesis, Xi’an Jiao Tong University, Xi’an, China.