Flow separation at inlet causing transition and intermittency in circular pipe flow

円管内流れにおける遷移と間欠性を引き起こす入口での流れの剥離

小川 益郎*

Ogawa, Masuro*

円管内流れは、流れが実際に遷移し、遷移流が間欠性を示すにもかかわらず、あらゆる小さな外乱に対して線形的に安定である。このことは、流体力学ではまだ解決されていない大きな課題の一つである。そこで、著者は、これまで誰も気がつかず認識してこなかった事実を初めて指摘する。この事実というのは、「円管内の流れは、流れの剥離によって、円管入り口付近に形成される剥離泡から放出された渦のために層流から遷移し、そして渦放出が間欠的であるために遷移流が間欠性を示す。」というものである。この事実は、円管の入口形状が遷移レイノルズ数に大きく影響することや、第3の遷移現象に分類されている外側円筒が支配的に回転する同心二重円筒間の流れが円管内の遷移流れと同様に流れの剥離によって間欠性を示すといった、多くの実験結果によって裏付けられている。本研究によって、高温ガス冷却炉の熱流体設計において最も重要な課題の一つである熱伝達促進のために、急縮小型の入口形状が遷移開始レイノルズ数をできる限り小さくできることを明らかにした。

Transition phenomena from laminar to turbulent flow are roughly classified into three categories. Circular pipe flow of the third category is linearly stable against any small disturbance, despite that flow actually transitions and transitional flow exhibits intermittency. These are among major challenges that are yet to be resolved in fluid dynamics. Thus, author proposes hypothesis as follows; "Flow in a circular pipe transitions from laminar flow because of vortices released from separation bubble forming in vicinity of inlet of pipe, and transitional flow becomes intermittent because vortex-shedding is intermittent." Present hypothesis can easily explain why linear stability theory has not been able to predict transition in circular pipe flow, why circular pipe flow actually transitions, why transitional flow actually exhibits intermittency even due to small disturbance, and why numerical analysis has not been able to predict intermittency of transitional flow in circular pipe.