층-거푸집 전이

유체 역학에서 층류 흐름이 격변하는 과정을 층류-거푸집 전환이라고 한다.전환의 특징을 나타내는 주요 매개변수는 레이놀즈 번호다.

전환은 종종 일련의 단계를 거치는 과정으로 설명된다."경과적 흐름"은 층-거푸집 과도기 또는 난류-층 과도기 흐름 중 어느 방향으로의 전환을 가리킬 수 있다.

이 과정은 모든 유동 흐름에 적용되며, 경계 층의 맥락에서 가장 자주 사용된다.

역사

1883년 오스본 레이놀즈는 고전적인 실험에서 난류로의 전환을 증명했는데, 이 실험에서 그는 더 큰 파이프의 흐름의 중심부에 유입된 염색수의 작은 분사물을 이용하여 다른 유량 하에서 물의 흐름의 행동을 조사했다.

더 큰 파이프는 유리였기 때문에 염색한 유량 층의 거동을 관찰할 수 있었고, 이 파이프의 끝에는 유량 조절 밸브로 관 내부의 수속을 변화시켰다.속도가 낮을 때, 염색한 층은 큰 관의 전체 길이를 통해 뚜렷하게 유지되었다.속도가 증가하자, 그 층은 주어진 지점에서 분해되어 유체의 단면 전체에 확산되었다.이런 일이 일어난 지점은 층류에서 난류로 이행하는 지점이었다.레이놀즈는 이 효과의 시작에 대한 지배 변수를 확인했는데, 이것은 나중에 레이놀즈 수라고 불리는 차원 없는 상수였다.

레이놀즈는 진입 조건의 부드러움에 따라 Re = 2000년과 13000년 사이에 전환이 발생했다는 것을 발견했다.극도로 주의를 기울일 때, 그 전환은 4만까지 Re와 함께 일어날 수 있다.반면, Re = 2000은 대략적인 입구에서 얻은 가장 낮은 값으로 보인다.^[1]

레이놀즈의 유체 역학 관련 출판물은 1870년대 초에 시작되었다.1890년대 중반에 발표된 그의 최종 이론 모델은 오늘날 사용되는 표준 수학 틀이다.그의 보다 획기적인 보고서의 제목은 다음과 같다.

유체로부터 동력을 얻고 유체의 상승 또는 강제력을 얻기 위한 기구의 개선 (1875)

병렬 채널에서의 물의 움직임이 직접적 또는 수직적이어야 하는지를 결정하는 상황 및 병렬 채널에서의 저항의 법칙에 대한 실험적 연구 (1883)

비압축 점성 유체의 동적 이론 및 기준 결정 (1895)

경계 계층의 전환 단계

경계층은 여러 경로를 통해 난류로 전환될 수 있다.물리적으로 실현되는 경로는 초기 교란 진폭과 표면 거칠기와 같은 초기 조건에 따라 달라진다.각 단계의 이해 수준은 일차 모드 성장에 대한 거의 완전한 이해에서부터 우회 메커니즘에 대한 거의 완전한 이해 부족에 이르기까지 크게 다양하다.

수용성

자연적 전환 과정의 초기 단계는 수용성 단계로 알려져 있으며 환경 장애(음향)를 경계층 내의 작은 동요로 변환하는 것으로 구성된다.이러한 장애가 발생하는 메커니즘은 다양하며, 표면 곡률, 형상 불연속성 및 표면 거칠기와 상호작용하는 프리스트림 사운드 및/또는 난류를 포함한다.이러한 초기 조건들은 종종 기본적인 상태 흐름에 대한 측정 불가능한 작은 동요들이다.여기서부터 이러한 소동의 성장(또는 쇠퇴)은 소동의 성격과 기본 상태의 성격에 따라 달라진다.음향 장애는 톨미엔-슐리칭 파동(T-S파)과 같은 2차원 불안정을 유발하는 경향이 있고, 격변 장애는 교차 흐름 불안정성과 같은 3차원 현상의 성장을 유도하는 경향이 있다.^[3]

최근 수십 년 동안의 수많은 실험에서 증폭 부위의 정도, 그리고 따라서 신체 표면의 전환 지점의 위치는 진폭 및/또는 외부 장애의 스펙트럼뿐만 아니라 그 물리적 성격에도 크게 좌우된다는 것이 밝혀졌다.일부 장애는 쉽게 경계층으로 침투하지만 다른 장애는 그렇지 않다.따라서 경계층 전환의 개념은 복잡한 것이며 아직 완전한 이론적 설명이 부족하다.

1차 모드 증가

초기 환경 발생 교란이 충분히 작다면, 전환 과정의 다음 단계는 일차 모드 성장이다.이 단계에서 초기 교란은 선형 안정성 이론에 의해 기술된 방식으로 성장(또는 붕괴)한다.^[4]현실에서 나타나는 구체적인 불안정성은 문제의 기하학적 구조와 초기 교란의 성격과 진폭에 따라 달라진다.주어진 흐름 구성에서 레이놀즈 숫자의 범위에 걸쳐, 가장 증폭된 모드는 다양할 수 있고 종종 다양하다.

경계 층에서 흔히 발생하는 몇 가지 주요 유형의 불안정성이 있다.아음속과 초기의 초음속 흐름에서 2차원 불안요인은 T-S파다.스윕날개처럼 3차원 경계층이 발달하는 흐름의 경우 교차 흐름 불안정성이 중요해진다.오목한 표면 곡률을 항해하는 흐름의 경우 Görtler vortice가 지배적인 불안정성이 될 수 있다.각 불안정성에는 고유의 물리적 기원과 제어 전략 집합이 있으며, 일부는 다른 불안정에 의해 억제된다. 이는 층간-대립 전환을 제어하는 데 어려움을 가중시킨다.

난류로의 전이 물리학에서 단순 조화 경계층 소리

층류에서 난류로 갑자기 이행하는 과정에서 급작스러운 요소로서 단순한 조화음이 엘리자베스 배렛 브라우닝의 탓으로 여겨질 수도 있다.그녀의 시인 오로라 리(1856년)는 음악 음표(특정 교회 종을 두드리는 소리)가 이전에는 꾸준했던 가로등 층류 흐름의 불꽃("...가솔린 불빛")에서 흔들리는 난기류를 유발하는 방법을 밝혔다.머리카락 2016).그녀의 즉시 찬사를 받은 시는 과학자들(예: 레콘테 1859)에게 난기류의 원인으로 단순한 조화(SH)의 영향을 경고했을지도 모른다.이 효과에 대한 현대의 과학적인 관심으로 절정에 이른 것은 흐름에 직각인 특정 SH 음이 튜브의 경계를 따라 마찰에 의해 생성되는 유사한 SH 파동과 혼합된 파동을 가지고 있어 이를 증폭시키고 높은 저항의 난류 흐름 현상을 촉발시켰다고 추론한 존 틴달(1867) 경이다.그의 해석은 100년 후 (해밀턴 2015) 다시 표면화되었다.

톨미엔(1931년)과 슐리칭(1929년)은 평탄한 평탄한 경계를 따라 마찰(점도)을 일으켜 난기류가 발생할 때까지 점차 진폭으로 증가하는 SH 경계층(BL) 진동을 만들자고 제안했다.현대 풍동들이 이론을 확증하는 데는 실패했지만, 슈바우어와 스카람슈타트(1943)는 풍동 평판 흐름 연구에 침해를 줄 수 있는 진동과 소리를 사멸시키는 정제된 풍동을 만들어냈다.그들은 난류로의 전환의 동적 전단파인 SH 장크레스트 BL 진동의 개발을 확인했다.그들은 특정 SH 펄럭이는 진동이 전자석을 BL 강자성 리본으로 유도하여 유사한 유동에 의한 SH BL 펄럭임(BLF) 파동을 증폭시켜 훨씬 낮은 유량으로 난류를 촉발할 수 있다는 것을 보여주었다.또한 특정 다른 특정 주파수는 SH BLF 파형의 개발을 방해하여 높은 유량으로 층류 흐름을 보존하였다.

유체 속의 질량의 진동은 음파를 만드는 진동이다.평평한 판을 따라 경계층 유체의 SH BLF 진동은 유체 층에 수직인 경계에서 반사되는 SH 소리를 생성해야 한다.늦은 전환기에 슈바우어와 스크람스타드는 소음의 폭발과 관련된 BL 진동의 증폭에 초점을 맞추었다.늦은 전환에서 횡방향 소리의 초점 증폭은 BL vortex 형성과 관련이 있었다.

층층을 통해 수직으로 분자의 에너지 진동이 높은 평판을 따라 난류 지점의 소리를 증폭시킨 초점은 갑자기 층 슬립의 국소적 동결을 야기할 수 있다.액체의 "얼음" 부분이 갑자기 제동되면 경계의 높은 저항으로 저항이 전달되며, 늦은 전환의 헤드 오버 힐 BL이 설명될 수 있다.오스본 레이놀즈는 실린더 내 물 흐름의 전환 중 유사한 난류 지점들("난류의 발진" 1883년)을 설명했다.

난류 온셋으로 많은 무작위 변종이 폭발할 때 층간 슬립(층간 연동)의 일반화된 동결은 소음 및 흐름 저항의 급격한 증가와 관련이 있다.이것은 또한 층류 흐름이 난류 분출로 층류 연동으로 대체됨에 따라 층류 슬립이 난류 흐름의 평평한 프로파일로 갑자기 변하는 포물선 등속도 프로파일을 설명할 수 있다(해밀턴 2015).

^[5]

이차불안정성

일차 모드 자체는 실제로 직접 고장으로 이어지는 것이 아니라 오히려 이차적인 불안정 메커니즘의 형성으로 이어진다.일차 모드는 성장하고 평균 흐름을 왜곡하면서 비선형성을 보이기 시작하고 선형 이론은 더 이상 적용되지 않는다.문제를 복잡하게 만드는 것은 평균 흐름의 왜곡 증가인데, 이것은 속도 프로필에 변곡점을 초래할 수 있다. 레일리 경이 보여준 상황은 경계 층의 절대 불안정성을 나타낸다.이러한 이차적 불안은 급속히 붕괴로 이어진다.이러한 2차 불안정성은 종종 선형 전구체보다 빈도가 훨씬 높다.

참고 항목

참조

위키미디어 커먼스는 라미나르와 관련된 매체를 난류 흐름 전환에 두고 있다.