بررسی تجربی کاهش اتلاف هد به وسیله ی حباب های هوا در جریان تیلور-کوئت آشفته

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

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

2 استاد مهندسی مکانیک، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

3 استادیار مهندسی مکانیک، مجتمع آموزش عالی گناباد، گناباد، ایران

چکیده

در این تحقیق، اثر تزریق حباب‌های کوچک روی اتلاف هد جریان محصور در فضای حلقوی بین دو استوانه هم‌محور (سیستم تیلور-کوئت) بطور تجربی بررسی شد. به منظور تعیین اتلاف هد، اختلاف فشار جریان بین دو نقطه‌ی معین در راستای محور استوانه‌ها اندازه‌گیری گردید. طبق تغییرات عدد رینولدز دورانی و محوری، جریان تیلور-کوئت ایجاد شده کاملا آشفته بود و گردابه های تیلور در فضای حلقوی ظاهر شدند. آب به عنوان سیال عامل و هوا با شرایط اتاق برای تولید حباب‌ها استفاده شدند که از قسمت تحتانی سیستم به داخل فضای حلقوی تزریق شدند. به منظور تعیین قطر و آرایش حباب‌ها در جریان تکنیک مجسم سازی جریان استفاده شد. نتایج اولیه نشان دادند که حباب‌های هوا می‌توانند در بهترین حالت اتلاف هد را تا 60% کاهش دهند. با افزایش عدد رینولدز دورانی اتلاف هد افزایش یافت؛ پدیده ای که با تجمع حباب‌های کوچک در هسته‌ی گردابه‌های تیلور و افزایش انتقال مومنتم توجیه شد. گرچه در اعداد رینولدز دورانی کوچک، کاهش چگالی جریان توسط حباب‌ها پارامتر اصلی در کاهش اتلاف هد مطرح شده است. در این رژیم مشاهده شد که افزایش عدد رینولدز محوری افت اتلاف هد را افزایش می‌دهد که نشان از میرا شدن گردابه‌ها توسط جریان محوری است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  McCormick ME, Bhattacharyya R (1973) Drag reduction of a submersible hull by electrolysis. NavalEng J 85: 11-16.

[2]  Bogdevich VG, Evseev AR, Mayyuga AG, Migirenko GS (1977) Gas-saturation effect on near-wall turbulence characteristics. In Proc. Second International Conference on Drag Reduction, (ed. H.S. Stephens & J. A. Clark), Cambridge, England. BHRA Fluid Engineering, D 2, 25-37.

[3]  Madavan NK, Deutsch S,. Merkle CL (1984) Reduction of turbulent skin friction by micro bubbles. Phys Fluids 27: 356-363.

[4] Madavan NK, Merkle CL, Deutsch S (1985) Numerical investigations into the mechanisms of microbubble drag reduction. J Fluids Eng 107: 370-377.

[5] Merkle CL, Deutsch S (1989) Microbubble drag reduction. In Frontiers in Experimental Fluid Mechanics. (ed. M. Gad-el-Hak), 291-335. Springer, New York.

[6]  Deutsch S, Castano J (1986) Microububble skin friction reduction on an axisimmetric body. Phys Fluids 29: 3590-3597.

[7]  Kato H, Miyanaga M, Haramoto Y, Guin MM, (1994) Frictional drag reduction by injecting bubbly water into turbulent boundary layer. In Proc. Cavitation and Gas-Liquid Flow in Fluid Machinery and Devices ASME, 190, 185-194.

[8]  Guin MM, Kato H, Yamaguchi H, Maeda M, Miyanaga M (1996) Reduction of skin friction by micro bubbles and its relation with near wall concentration in a channel. J Mar Sci Technolo 1: 241-254.

[9]  Legner HH (1984) Simple model for gas bubble drag reduction. Phys Fluids 27: 2788-2790.

[10] Marie JL (1987) A simple analytical formulation for microbubble drag reduction. J Phys-Chem Hydro 13: 213-220.

[11] Felton K, Loth E (2002) Diffusion of spherical bubbles in a turbulent boundary layer. Int J Multiphas Flow 28: pp. 69-92.

[12] Ferrante A, Elghobashi S (2004) On the physical mechanism of drag reduction in a spatially developing turbulent boundary layer laden with microbubbles. JFluid Mech 503: 345-355.

[13] Xu J, Maxey MR, Karniadakis GE (2002) Numerical simulation of turbulent drag reduction using microbubbles. J Fluid Mech 468: 271-281.

[14] Lu J, Fernadez A, Tryggvason G (2005) The effect of bubbles on the wall drag in a turbulent channel flow. Phys Fluids 17: 1-12.

[15] Kanai A, Miyata H (2001) Direct numerical simulation of wall turbulent flows with micro bubbles. Int J Numer Meth Fluids 35: 593-615.

[16] Yanuar, Gunawan, Sunaryo, Jamaluddin A (2012) Micro-bubble drag reduction on a high speed vessel model. J Marince Sci Appl 11: 301-304.

[17]Takahashi T, Kakugawa A, Makino M, Kodama Y (2003) Experimental study on scale effect of drag reduction by microbubbles. using very large flat plate ships. J Kansai Soc NA Jpn 239: 11-20.

[18]Latorre R, Miller A, Philips R (2003) Micro-bubble resistance reduction on a model SES catamaran. Ocean Eng 30(17): 2297-2309.

[19] Nouri NM, Sarreshtehdari A (2009) An experimental study on the effect of air bubble injection on the flow induced rotational hub. Exp Therm Fluid Sci 33: 386-392.

[20] Couette M (1890) Etudes sur le frottement des liquids. Ann Chim Phys Fluids 21: 433-510.

[21] Mallock A (1896) Experiments on fluid viscosity. Phil Trans R Soc Lond A 93: 41.

[22] Rayleigh L (1916) On the dynamics of revolving fluids. Proc Roy Sac Lond A 93: 148-154.

[23] Taylor GI (1923) Stability of a viscous liquid contained between two rotating cylinders. Phil Trans Roy Soc Lond A 223: 289-343.

[24] Cornish JA (1933) Flow of water through fine clearances with relative motion of the boundaries. Proc R Soc Lond A 140: 227-240.

[25] Goldstein S (1937) The stability of viscous fluid flow between rotating cylinders. Proc Camb Phil Soc 33; 41-61.

[26] Chandrasekhar S (1960) The hydrodynamic stability of viscous flow between coaxial cylinders. Proc Natl Acad Sci 46: 141-143.

[27] Di Prima RC (1960) The stability of a viscous fluid between rotating cylinders with an axial flow. J Fluid Mech 9: 621-631.

[28] Donnelly RJ, Fultz D (1960) Experiments on the stability of spiral flow between rotating cylinders. Proc Natl Acad Sci 46: 1150-1154.

[29] Shiomi Y, Kutsuna H, Akagawa K, Ozawa M (1993) Two-phase flow in an annulus with a rotating inner cylinder—flow pattern in bubbly flow region. Nucl Eng Des 141(1-2): 27-34.

[30] Atkhen K, Fontaine J, Wesfreid JE (2000) Highly turbulent Couette-Taylor bubbly flow patterns. J Fluid Mech 422: 55-68.

[31] Hubacz R, Wronski S (2004) Horizontal Couette–Taylor flow in a two-phase gas–liquid system: flow patterns, Exp ThermnFluid Sci 28: 457-466.

[32] Van den Berg TH, Luther S, Lathrop D, Lohse D (2005) Drag reduction in bubbly Taylor–Couette turbulence. Phys Rev 94: 1-4.

[33] Van der Berg TH, van Gils DPM, Lathrop DP, Lohse D (2007) Bubbly Turbulent Drag reduction is a boundary Layer effect. Phys Rev 98: 084501.

[34] Murai Y, Oiwa H, Takeda Y (2008) Frictional drag reduction in bubbly Couette–Taylor flow. Phys Fluids 20: 1-12.

[35] Maryami R, Javad Poor M, Farahat S, Shafie Mayam MH (2014) Experimental drag reduction by bubbles in a Couette.Modares Mech Eng 9: 1-10. (In Persian)

[36] Maryami R, Farahat S, Shafie Mayam MH, Javad Poor M (2015) Experimental investigation of the Bubbly drag reduction in the presence of axial flow in a the Couette-Taylor system. Amirkabir Journal of Science & Research (Mechanical Engineering) 47: 33-45. (In Persian)

[37] Sugiyama K, Calzavarini E, Lohse D (2008) Microbubbly drag reduction in Taylor-Couette flow in the wavy vortex regime. J Fluid Mech 1-30.

[38] Maryami R, Shafiei Mayam MH, Farahat S, JavadPour M (2011) Numerical study of drag reduction using micro bubbles in a vertical Couette-Taylor system. 7th International Chemical Engineering Congress & Exihibition Kish, Iran.

[39]Yamada Y, (1960) Resistance of a flow through an annulus with an inner rotating cylinder. Bulletin of JSME 18: 302-310.

[40] Shen X, Ceccio SL, Perlin M (2006) Influence of bubble size on micro-bubble drag reduction. Exp Fluids 41: 415-424.

[41] Bilgen, E, Boulos R (1973) Functional dependence of torque coefficient of coaxial cylinders on gap width and Reynolds numbers. J Fluid Eng-T ASME 95(1): 122-126.

[42] Cazley JC (1985) Heat trasfer characteristics of the rotational and axial flow between cocentric cylinders. ASME 80: 77-90.