بررسی تجربی کاهش درگ حبابی در حضور جریان محوری در یک سیستم تیلور-کوئت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک ، دانشگاه یزد، یزد، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک ، دانشگاه سیستان و بلوچستان، سیستان و بلوچستان ، ایران

3 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک ، دانشگاه سیستان و بلوچستان، سیستان و بلوچستان ، ایران

4 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سیستان و بلوچستان، سیستان و بلوچستان ، ایران

چکیده

بهبود کاهش دراگ اصطکاکی به دلیل حضور حباب­های کوچک و جریان محوری با استفاده از یک سیستم تیلور کوئت بطور تجربی مورد بررسی قرار می­گیرد. هنگامی که عدد رینولدز دورانی از 5000 تا 70000 تغییر می­کند، شرایط جریان کاملا آشفته است و گردابه­های تیلور بین استوانه­های هم مرکز ظاهر می­شوند. درحالی که حباب­های هوا و جریان محوری از قسمت پایینی سامانه داخل فضای حلقوی تزریق می­شوند، گشتاور اعمالی روی استوانه­ی داخلی دوار و رفتار حباب­ها اندازه­گیری می­شوند. به منظور جلوگیری از خصوصیات سطحی نامشخص و ایجاد توزیعی از حباب­های با اندازه­ی تقریبا یکسان، از آب مقطر استفاده می­شود. قطر حباب­ها به کمک فرایند پردازش تصویر اندازه­گیری می­شود. نتایج نشان می­دهند که جریان محوری در غیاب حباب­ها سبب کاهش دراگ اصطکاکی می­شود. علاوه براین مشاهده می­شود که جریان محوری اثر مثبت حباب­ها را روی کاهش دراگ بهبود می­بخشد. در این حالت کاهش دراگی در حدود 28% بدست آمده است که با افزایش عدد رینولدز دورانی کاهش می­یابد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of the Bubbly Drag Reduction in the Presence of Axial Flow in a the Couette-Taylor System

نویسندگان [English]

  • Reza Maryami 1
  • Said Farahat 2
  • M. H. Shafie Mayam 3
  • S. M. JavadPoor 4
چکیده [English]

Modification of frictional drag reduction due to the presence of small bubbles and axial flow is investigated experimentally using a Couette-Taylor system. Flow condition between concentric cylinders is fully turbulent and Taylor vortices are appeared into flow when rotational Reynolds number is changed from 5000 to 70000. Torque acting on rotating inner cylinder and bubble behavior are measured while air bubbles and axial flow are injected constantly from the bottom of the system into annulus gap. Pure water is used to avoid the uncertain interfacial property of bubbles and to produce nearly mono-sized bubble distributions. Bubble diameter is measured by image processing method. The result showed that in the absence of small bubbles, axial flow reduces the friction drag. Moreover, it is observed that axial flow improves positive effect of bubbles on drag reduction. In this case, a drag reduction of 28% is obtained which is decreased by increasing the rotational Reynolds number.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Micro-bubbles
  • Taylor-Couette
  • Skin Friction
  • Turbulent flow
  • Axial Flow

مراجع

[1] McCormick, M. E., Bhattacharyya, R., “Drag reduction of a submersible hull by electrolysis”, Naval Eng.J, vol. 85, pp. 11-16,1973.
[2] Bodgevich, V. G., Evseev, A. R., “The distribution of skin friction in a turbulent boundary layer of water beyond the location of gas injection”, Investigations of Boundary Layer Control (in Russian), Thermophysics Institute Publishing House, vol. 62, 1976.
[3] Madavan, N. K., Deutsch, S., Merkle, C. L., “Reduction of turbulent skin friction by microbubblesc”, Phys. Fluids, vol. pp. 27, 356-363, 1984.
[4] Madavan, N. K., Merkle, C. L., Deutsch, S., “Numerical investigations into the mechanisms of microbubble drag reduction”, J. Fluids Eng, vol. 107, pp. 370-377, 1985.
[5] Pal, S., “Turbulence characteristics and bubble dynamics of a microbubble modified boundary layer”, Ph.D. thesis, The Pennsylvania State University. 1989.
[6] Fontaine, A. A., Deutsch, S., Brungart, T. A., Petrie, H. L., Fenstermacker, M., “Drag reduction by coupled systems: microbubble injection with homogeneous polymer and
surfactant solutions”, Exp. Fluids, vol. 26, pp. 397-403, 1999.
[7] Kanai, A., Miyata, H., “Direct numerical simulation of wall turbulent flows with micro bubbles”, Int. J. Numer. Meth Fluids, vol. 35, pp. 593-615, 2001.
[8] Xu, J., Maxey, M. R., Karniadakis, G. E., “Numerical simulation of turbulent drag reduction using micro-bubbles”. J. Fluid Mech, vol. 468, pp. 271-281, 2002.
[9] Lu, J., Fernandez, A., Tryggvason, G., “The effect of bubbles on the wall drag in a turbulent channel flow”, Phys. Fluids, vol. 17, pp. 95-102, 2005.
[10] Murai, Y., Fukuda, H., Oishi, Y., Kodama, Y., Yamamoto, F., “Skin friction reduction by large air bubbles in a horizontal channel flow”. Int. J. Multiphase .Flow, vol. 33, pp. 147–163, 2007.
[11] Couette, M., “Etudes sur le frottement des liquides”, Ann.Chim. Phys, vol. 21, pp. 433-510,1890.
[12] Mallock, A., “Experiments on fluid viscosity”, Phil Trans R Soc Lond. A, vol. 93, 41, 1896.
[13] Rayleigh, L., “On the dynamics of revolving fluids”, Proc., Roy. Sac. London. A, Vol. 93, pp. 148-154,1916.
[14] Taylor, G. I., “Stability of a viscous liquid contained between two rotating cylinders”, Phil.Trans. Roy. Soc. Lond. A, vol. 223, pp. 289-343,1923.
[15] Cornish, J. A., “Flow of water through fine clearances with relative motion of the boundaries”, Proc. R. Soc. Lond. A, vol. 140, pp. 227-240, 1933.
[16] Goldstein, S., “The stability of viscous fluid flow between rotating cylinders”, Proc. Camb.Phil. Soc, vol. 33,pp. 41-61,1937.
[17] Chandrasekhar, S., “The hydrodynamic stability of viscous flow between coaxial cylinders”, Proc. Natl Acad. Sci, vol. 46, pp. 141-143,1960.
[18] Di Prima, R. C., “The stability of a viscous fluid between rotating cylinders with an axial flow”, J. Fluid Mech, vol. 9,pp. 621-631,1960.
[19] Donnelly, R. J., Fultz, D., “Experiments on the stability of spiral flow between rotating cylinders”, Proc. Natl Acad. Sci, vol. 46, pp. 1150-1154,1960.
[20] Shiomi, Y., Kutsuna, H., Akagawa, K., Ozawa, M., “Two-phase flow in an annulus with a rotating inner cylinder—flow pattern in bubbly flow region”, Nucl. Eng. Des, vol. 141, pp. 27-34. 1993.
[21] Atkhen, K., Fontaine, J., Wesfreid, J. E., “Highly turbulent Couette-Taylor bubbly flow patterns”, J. Fluid Mech, vol. 422, pp. 55- 68, 2000.
[22] Hubacz, R., Wronski, S., “Horizontal Couette–Taylor flow in a two-phase gas–liquid system: flow patterns”, Exp. Thermal. Fluid Sci, vol. 28, pp. 457-466, 2004.
[23] Van den Berg, T. H., Luther, S., Lathrop, D., Lohse, D., “Drag reduction in bubbly Taylor–Couette turbulence”, Phys. Rev. Lett, vol. 94, 044501- 4, 2005.
[24] Van der Berg, T.H., van Gils, D. P. M., Lathrop, D. P., Lohse, D., “Bubbly Turbulent Drag reduction is a boundary Layer effect”, Phys. Rev. Lett, vol. 98, 084501- 4, 2007.
[25] Murai, Y., Oiwa, H., Takeda, Y., “Frictional drag reduction in bubbly Couette–Taylor flow”, Phys. Fluids, vol. 20, 034101-12, 2008.
[26] Sugiyama, K., Calzavarini, E., Lohze, D., “Microbubbly drag reduction in Taylor–Couette flow in the wavy vortex regime”. J. Fluid Mech, vol. 608, pp. 21– 41, 2008.
[27] Shen, X., Ceccio, S. L., Perlin, M., “Influence of bubble size on micro-bubble drag reduction”, Exp. Fluids, vol. 41, pp. 415− 424, 2006.
[28] Rust, A. C., Manga, M., “Bubble shapes and orientations in low Re simple shear flow”, J. Colloid Interface Sci, vol. 249, pp. 476,2002.
[29] Cazley, C. Jr., “Heat trasfer characteristics of the rotational and axial flow between cocentric cylinders”, Transactions of the ASME, vol. 80, pp. 77- 90, 1985.
[30] Dorfman, L. A., “Hydrodynamic resistance and the heat loss of rotating solid” Oliver & boy Edinburgh and London, vol. pp. 235- 239, 1963.
[31]Nouri, N., Sarreshtehdari, M. A., “An experimental study on the effect of air bubble injection on the flow induced rotational hub”, Exp. Thermal. Fluid Sci, vol. 33, pp. 386– 392, 2008.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار