Studio della transizione inversa nel flusso di una tubazione

Jun 01, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12333 (2023) Citare questo articolo

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Nella transizione inversa nel flusso del tubo, il flusso turbolento si trasforma in un flusso laminare meno disturbato. L'entropia del flusso sembra diminuire. Questo studio ha esaminato la transizione inversa sperimentalmente e teoricamente utilizzando modelli di variazione di entropia e di equilibrio della quantità di moto, non in termini di disturbo nel flusso. La transizione inversa è stata ottenuta diminuendo il numero di Reynolds. Le transizioni erano approssimativamente correlate ai numeri di Reynolds locali. Il numero di Reynolds iniziale della transizione divenne maggiore e la pressione a numeri di Reynolds bassi era maggiore rispetto al flusso normale del tubo. Questi comportamenti erano causati dal flusso turbolento nel tubo sottoposto a una transizione inversa. Abbiamo dimostrato che l’entropia non diminuisce nella transizione inversa includendo l’entropia dovuta all’attrito nella regione di sviluppo.

La transizione da laminare a turbolenta fu descritta per la prima volta da Reynolds nel diciannovesimo secolo1 e da allora è stata studiata nei flussi di tubi e condotti. Sebbene il fenomeno della transizione sia comune e apparentemente semplice, restano ancora diversi problemi da risolvere. Uno dei problemi è il verificarsi della “rilaminarizzazione”, nota anche come transizione inversa2,3,4,5,6,7,8,9. In questo fenomeno, il flusso turbolento disturbato si trasforma in un flusso laminare meno disturbato. Di conseguenza, l’entropia del flusso sembra diminuire. Narasimha e Sreenivasan2 hanno riferito che “una reazione comune quando veniva menzionato l’argomento era che la transizione implicita dal disordine all’ordine era termodinamicamente impossibile!” Patel e Head3 hanno esaminato le somiglianze e le differenze nelle transizioni inverse nei flussi dei tubi e negli strati limite. Sibulkin6 ha riferito che la transizione rilaminarizzante avviene più rapidamente a numeri di Reynolds più piccoli. Narayanan7 ha riportato la distanza necessaria per la transizione inversa. Seki e Matsubara8 hanno discusso il numero di Reynolds critico nel caso della rilaminarizzazione. Questi studi hanno realizzato una transizione inversa diminuendo il numero di Reynolds a meno del numero di Reynolds critico, che è stato segnalato essere compreso tra 1400 e 1700. Al di sotto del numero di Reynolds critico, non c'è transizione dal flusso laminare a quello turbolento. La transizione inversa è stata discussa in termini di dissipazione del disturbo. Tuttavia, non è stata data risposta alla domanda se la transizione inversa sembri violare la seconda legge della termodinamica.

Kanda10 ha studiato una tipica transizione da laminare a turbolento in un flusso rettilineo mediante il bilancio della quantità di moto nella regione di transizione. Hattori et al.11 hanno rivelato che la turbolenza di afflusso dalla regione di sviluppo alla regione di transizione ha influenzato la condizione di transizione a valle mediante un cambiamento di entropia, non in termini di disturbo. Queste relazioni sono fondamentali in fisica anche quando il flusso è laminare o turbolento, indipendentemente dal fatto che vi siano disturbi.

Nel presente studio, la transizione inversa nel flusso del tubo è stata esaminata sperimentalmente e teoricamente. La condizione per una transizione inversa e la transizione da laminare a turbolenta nel flusso del tubo sottoposto a transizione inversa sono state esaminate utilizzando modelli di variazione di entropia e di bilancio della quantità di moto. Questo articolo mostra i risultati sperimentali e analitici.

Le condizioni del flusso del tubo sono state monitorate attraverso la visualizzazione dell'inchiostro e la misurazione della pressione. Due tubi di uretano di diverso diametro erano collegati da un condotto divergente. La Figura 1 mostra gli schemi della configurazione sperimentale. Due tubi di uretano di diverso diametro erano collegati da un condotto divergente.

Setup sperimentale. (a) Schema dell'impianto sperimentale, (b) blocco di tubi divergenti del tubo A e (c) blocco di tubi divergenti del tubo B.

In questa situazione, il numero di Reynolds era minore nel tubo a valle che in quello a monte. Per studiare l'influenza del rapporto divergente dei tubi a monte/a valle sulla transizione inversa, sono stati testati due set di tubi collegati. Nel tubo A, un tubo con un diametro interno di D1 = 6,5 mm e una lunghezza di L1 = 1,73 m è stato collegato a un tubo a valle con un diametro interno di D2 = 11 mm e una lunghezza di L2 = 2,13 m. Nel tubo B è stato utilizzato per il tubo a monte un tubo con un diametro interno di D1 = 8 mm e una lunghezza di L1 = 2,13 m. Per confronto, il tubo a valle è stato testato da solo come un tubo normale, denominato Tubo C.