旋转管道中的浮力混溶湍流研究

旋转管道中的位移流赛义德·穆罕默德·塔加维加拿大魁北克拉瓦尔大学科学讲座3（2022）100066自动清洁装置关键词：驱替剂非牛顿流体粘塑性流体旋转管流体混合浮力A B标准位移振荡经常出现在自然现象和工业应用中，例如， 用于肺气道、油井固井、涂装和加工机械的清洗。我们通过实验和数值计算研究了管道轴向旋转对倾斜管道中浮力混溶湍流的影响，同时考虑了三种逐渐增加复杂性的情况：（i）牛顿交换湍流（Lyu等人，2020），（ii）牛顿位移波（Lyu Taghavi，2018），和（iii）粘塑性位移波（LyuTaghavi，2020）。&& 我们展示了如何由一个优雅的平衡之间的特征速度的brachow动态。 我们证明，增加管道的旋转速度诱导横向混合，并导致在一个完整的删除的位移流体的位移流体，高于临界旋转速度。我们的发现为如何利用旋转运动提高位移效率提供了见解本文的视频可以在j.sctalk.2022.100066上找到。https://doi.org/10.1016/图和表图1.一、在倾斜管道（与垂直方向成75度）中，随着旋转速度的增加，浮力牛顿交换流的实验快照序列。上面一行显示侧视图图像，下面一行显示相应的俯视图图像。在每个快照旁边指示以秒为单位的实验时间在每个快照中，重的Cumulid从右向左图为[1]的修改。通讯作者。电子邮件地址：Seyed-Mohammad. gch.ulaval.ca。h tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。20 22. 1 0 0 06 6接收于2022年7月3日;接受于2022年7月10日27 7 2 - 56 93/©2022TheA ut h or r. 由E lsevier L td提供。 这是一个操作过程，需要遵循C CBY指令（http：//c re ati ve c mmo ns. 或g/li ce nss/by/4. 0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkS.M. 塔加维科学讲座3（2022）1000662图二、（a，b）牛顿浮力混相交换流的典型实验快照。记录局部速度分布的位置由垂直蓝线标记（c，d）轴向速度分布大致对应于图（a）和（b）。图为[1]的修改。图3.第三章。 浮力混相交换流的结果。对于不同的参数，作为旋转速度的函数的前速度的变化：（a）密度差、（b）粘度和（c）倾角的变化图取自[1]。图四、 作为无量纲旋转速度的函数的无量纲前速度，显示了实验数据的叠加，对应于牛顿流体的浮力混溶交换流。实线表示经验相关性的预测图取自[1]。S.M. 塔加维科学讲座3（2022）100066图五. 实验和数值结果的叠加，显示了无量纲传播距离的停止前，作为无量纲管旋转速度的函数。实线表示经验关系。图取自[1]。图六、作为无量纲管道旋转速度的函数的停止前沿的无量纲传播时间的变化。实线表示经验相关性的预测图取自[1]。图7.第一次会议。从左到右，随管道转速增加，牛顿浮力混相交换流的时空图。白色水平虚线指示管道旋转停止的时间图取自[1]。图8.第八条。倾斜旋转管道中浮力混相交换流的典型数值模拟结果，仅显示管道的下部。在每个面板中，三个矩形显示了管道中心平面（侧视图），以及浓度场等值线、轴向速度等值线和速度矢量，而圆圈在箭头标记的位置处说明了管道横截面内的这些图为[1]的修改。S.M. 塔加维科学讲座3（2022）1000664图9.第九条。倾斜旋转管内浮力混相交换湍流的数值模拟。上一行显示了收缩值等于0.5时的数值等值面表示（相机平行投影视图）。下一行显示了典型的数值模拟，显示了管道中心平面中浓度场的图像序列结果显示在模拟中的假想闸阀下方在每个快照中，重的Cumulid从右向左移动图为[1]的修改。图10个。倾斜管道中牛顿浮力混相驱替流随管道转速增加的实验快照序列。在每个快照旁边指示以秒为单位的实验时间在每个快照中，位移是从右到左的闸阀和管道支架有标记。大的黑色方块标记了位移有效的时间。图为[2]的修改S.M. 塔加维科学讲座3（2022）1000665图十一岁倾斜管道中浮力混相驱替层流的驱替前缘速度和后缘速度随管道转速的变化。叠加的快照显示了相应实验的位移图为[2]的修改图12个。倾斜管道中浮力混相驱替层流的驱替前缘速度和后缘速度随管道转速的变化。图为[2]的修改。图13岁 实验快照图像显示牛顿流体（盐水）取代屈服应力流体（不同浓度的卡波姆溶液）。 位移是向下的，在垂直管道中。管子是静止的。 从左到右，卡波姆浓度逐渐增加（意味着位移的双流体的屈服应力增加）。图取自[4]。S.M. 塔加维科学讲座3（2022）1000666BbBb：图十四岁剪切应力τ与剪切速率γ的流动曲线，用于我们实验中使用的Carbopol溶液作为置换的胶体。相应的拟合赫歇尔Bulkley模型曲线由实线表示图取自[3]。图十五岁 实验快照序列，显示了在旋转管道中牛顿流体（盐水）对粘塑性流体（Carbopol凝胶）的置换。位移是从右到左，在一个与垂直方向成83度角的管道Rossby数表示管道旋转速度的倒数;结果针对增加的管道旋转速度呈现：（a）ω=0，（b）1.05，（c）2.09，（d）3.14，（e）4.19，（f）6.28（rad/s）。 在每个快照旁边指示以秒为单位的实验时间t。在子图（a）中，标记了闸阀和管道支架。上一行显示了无效去除机制，下一行显示了有效去除机制。图为[3]的修改图。S.M. 塔加维科学讲座3（2022）1000667BBbbb3-bb b.bbbb.0.12-0.38BB0BR埃什基V R=D0BR=bH(2.07-24.2）×104图十六岁在Fr和Fr/Rb平面内的粘塑性位移流区。这里Fr表示密度弗劳德数，Rb表示Rossby数。（a）有效（空心）和无效（填充）位移模式，大致由经验方程的斜线分开（b）与子图（a）相同的数据，以及相应的Bn* 值（即有效宾汉数），由颜色条中符号的大小和颜色指示（c）与子图（a）中相同的数据，用颜色条中符号的大小和颜色表示组合特征惯性应力的相应值叠加的三角形标记组合特征惯性应力小于1/5的数据点（d）与子图（a）相同，但没有实验数据。绘制具有恒定Rossby数的等值线，线上给出 Rb值Rb=π/5π =0.63的谱线是使Fr增加到两个位移漂移区之间转变的最快路线红色的星号标记（Rb，Fr）<$（0.63，0.4）。图取自[3]。表1实验中所用的被驱替的油的流变特性表格取自[3]。溶液Carbopol%（wt/wt）NaOH τyκðPa∙snÞn%（重量/重量）Pbab-0.08 0.023 1.14 4.14 0.42B 0.10 0.030 3.80 9.20 0.390.12 0.035 9.20 19.10 0.35表2在我们的实验/分析中的量纲和无量纲参数范围。表修改自[3]。参数名称定义范围或值Vbb0模拟平均流速ρ表示流体密度Δbρ密度差ρHρHρL20（S/2004/10）重质油的μH动力粘度-0.001（Paβ管道与垂直方向的阿特伍德数Δρ=ρ0.0035-0.02时罗士比数Fr弗劳德数V0b=ωbRVb0=q<$AtbgRbsinβ0.08Re雷诺数（基于置换流体）有效宾汉数ρV0R=bμH48bτy=bτybκV0=R有效粘度比PePeclet数.κ。V-1τ。bV-1！μ1863-46347b0b bmρ轻烃密度LBBω角旋转–0–5ρH较重流体–1017–997（千克/立方米）S.M. 塔加维科学讲座3（2022）1000668致谢我们要感谢博士。 Shan Lyu博士的伟大研究工作，其中一部分是在目前的工作中提出的。我们也感谢J。诺埃尔，J.N. Ouellet和M. Lavoie（部门技术人员）在实验设备的建设和非常有用的技术讨论的帮助。资金我们还感谢加拿大研究主席（CRC）对模拟复杂流动的支持（批准号：CG125810）、加拿大自然科学和工程研究委员会（NSERC）的发现资助（CG109154）以及加拿大创新基金会（CFI）提供的基础设施支持（ 资 助 号 GF130120 、 GQ130119 、 GF112622 、 GQ113034 和GF517657）。 这项研究也得到了魁北克自然与技术研究基金会（FRQNT）的新大学研究人员创业计划的财政支持。申报利益作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] S. 柳，M。Izadi，S.M.Taghavi，E X在轴向旋转管道中的变化流，物理修订版。流体5（7）（2020），07480 1。[2] S. Lyu，S.M.Taghavi，轴向旋转管道中的分层流，物理修订版。 流体3（7）（2018），074003.[3] S. Lyu，S.M.张文，周文，等.轴向旋转管道中的粘塑性位移.非牛顿流体力学杂志，2004，28（3）：104 - 105.[4] A. Amiri，A.埃斯拉米河Mollaabbasi，F.Larachi，S.M.李文，高强度牛顿流体对管道内屈服应力的影响，北京大学流体力学研究所，2001。268（2019）81进一步阅读[1] A. Eslami，S.阿克巴里Taghavi，反循环固井应用中固定和移动环空中的驱替液流的实验研究，J. Pet. Sci. Eng.213（2022），110321中所述。[2]R. Mollaabbasi，S. Noroozi，F. Larachi，S.M. Taghavi，使用粘性剪切稀化间隔物的有效驱替流体，工业工程化学研究60（28）（2021）10376-1039 2.[3]A.埃斯拉米河Mollaabbasi，A. Roustaei，S.M. Taghavi，屈服应力流体的压力驱动位移流：粘度比效应，Can。J. Chem. Eng. 97（11）（2019）2804-2817。[4] S.M. Taghavi，在具有壁滑移的通道中用于浮力位移的双层模型，J。流体机械。852（2018）602-64 0。[5]E. 瓦林河Mollaabbasi，S.M.Taghavi，浮力混相驱在一个非均匀Hele-Shaw细胞，Physical Rev. Fluids 3（3）（2018），034003。[6] A. 伊斯拉米Frigaard，S.M.张文，张文，等.水平井中粘塑性流体的驱替流动.数值模拟，北京：科学出版社. 非牛顿流体力学 249（2017）79-96。[7] A. Amiri，F.Larachi，S.M.Taghavi，周期性移动管道中的位移流：了解振荡几何中的多相流，化学工程科学。170（2017）437-45 0.[8]S.M.塔哈维河Mollaabbasi，Y. St-Hilaire，矩形通道中的浮力混相驱替流，J. FluidMech. 826（2017）676-713。[9] A. Amiri，F.Larachi，S.M.塔加维，浮力混相驱在垂直管中流动Phys. Fluids 28（10）（2016），102105。[10]R. Mollaabbasi，S.M. Taghavi，浮力位移在略微不均匀的通道中流动，J. Fluid Mech.795（2016）876-913。Seyed Mohammad Taghavi教授是加拿大复杂流动建模研究主席，目前是拉瓦尔大学的副教授。2011年，他获得了不列颠哥伦比亚大学（UBC）化学工程系的博士学位他有大约三年的博士后经验，在分析复杂的湍流在UBC，密歇根大学和麦吉尔大学，在那里他举行了班廷和汤姆林森博士后奖学金。他的研究兴趣主要集中在流体力学、界面流动、流体动力学稳定性和非牛顿流体力学。