파이프 흐름의 역전이 연구

Jun 01, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12333(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

파이프 흐름의 역전이에서 난류 흐름은 교란이 덜한 층류 흐름으로 변경됩니다. 흐름의 엔트로피는 감소하는 것처럼 보입니다. 본 연구에서는 흐름의 교란이 아닌 엔트로피 변화와 운동량 균형 모델을 이용하여 역전이를 실험적, 이론적으로 검토하였다. 레이놀즈 수를 줄임으로써 역전이가 이루어졌습니다. 전환은 대략적으로 로컬 레이놀즈 수와 상관 관계가 있습니다. 전이의 초기 레이놀즈 수는 더 커졌고, 낮은 레이놀즈 수에서의 압력은 일반 파이프 흐름보다 더 컸습니다. 이러한 거동은 역전이를 겪는 파이프의 난류로 인해 발생했습니다. 마찰로 인한 엔트로피를 발달영역에 포함시켜 역전이에서도 엔트로피가 감소하지 않음을 보여주었다.

층류에서 난류로의 전이는 19세기 레이놀즈(Reynolds)에 의해 처음으로 기술되었으며 그 이후로 파이프 및 덕트 유동에서 연구되어 왔습니다. 전이 현상은 일반적이고 단순해 보이지만 해결해야 할 몇 가지 문제가 남아 있습니다. 문제 중 하나는 역전이라고도 알려진 "재층화"가 발생한다는 것입니다2,3,4,5,6,7,8,9. 이 현상에서 교란된 난류 흐름은 교란이 덜한 층류 흐름으로 변경됩니다. 결과적으로 흐름의 엔트로피는 감소하는 것처럼 보입니다. Narasimha와 Sreenivasan2은 "주제가 언급되었을 때 일반적인 반응은 무질서에서 질서로의 암시적 전환이 열역학적으로 불가능하다는 것이었습니다!"라고 보고했습니다. Patel과 Head3는 파이프 흐름과 경계층의 역전이에 대한 유사점과 차이점을 조사했습니다. Sibulkin6은 레이놀즈 수가 더 작을수록 재층화 전이가 더 빠르게 발생한다고 보고했습니다. Narayanan7은 역전이에 필요한 거리를 보고했습니다. Seki와 Matsubara8은 재층화의 경우 중요한 레이놀즈 수에 대해 논의했습니다. 이들 연구에서는 레이놀즈 수를 임계 레이놀즈 수(1400~1700 범위로 보고됨) 미만으로 줄임으로써 역전이를 실현했습니다. 임계 레이놀즈 수 아래에서는 층류에서 난류로의 전이가 없습니다. 역전이는 교란의 소산 측면에서 논의되었습니다. 그러나 역전이가 열역학 제2법칙을 위반하는 것처럼 보이는지에 대한 질문에는 아직 답이 없습니다.

Kanda10은 전이 영역의 운동량 균형을 통해 직선 파이프 흐름의 전형적인 층류에서 난류로의 전이를 연구했습니다. Hattori et al.11은 개발 영역에서 전이 영역으로의 유입 난류가 교란 측면이 아닌 엔트로피 변화에 의해 하류 전이 조건에 영향을 미친다는 것을 밝혔습니다. 이러한 관계는 교란이 있는지 여부에 관계없이 흐름이 층류이거나 난류인 경우에도 물리학에서 기본입니다.

본 연구에서는 파이프 유동의 역전이를 실험적, 이론적으로 조사하였다. 엔트로피 변화와 운동량 균형 모델을 사용하여 역전이를 겪는 파이프 흐름의 역전이 조건과 층류에서 난류로의 전이를 조사했습니다. 이 논문은 실험 및 분석 결과를 보여줍니다.

파이프 흐름 상태는 잉크 시각화 및 압력 측정을 통해 모니터링되었습니다. 직경이 다른 두 개의 우레탄 파이프가 분기형 덕트로 연결되었습니다. 그림 1은 실험 설정의 개략도를 보여줍니다. 직경이 다른 두 개의 우레탄 파이프가 분기형 덕트로 연결되었습니다.

실험적 설정. (a) 실험 설정의 도식, (b) 파이프 A의 분기형 파이프 블록, (c) 파이프 B의 분기형 파이프 블록.

이 상황에서 레이놀즈 수는 상류 배관보다 하류 배관에서 더 작았습니다. 상류/하류 파이프의 발산 비율이 역전이에 미치는 영향을 조사하기 위해 두 세트의 연결된 파이프를 테스트했습니다. 파이프 A에서는 내경 D1 = 6.5mm, 길이 L1 = 1.73m의 파이프가 내경 D2 = 11mm, 길이 L2 = 2.13m의 하류 파이프에 연결되었습니다. Pipe B에서는 상류관으로 내경 D1=8mm, 길이 L1=2.13m의 관을 사용하였다. 비교를 위해 하류 파이프는 파이프 C로 지정된 일반 파이프로 단독으로 테스트되었습니다.