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Jul 31, 2023

Etude de la transition inverse dans l'écoulement des conduites

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 12333 (2023) Citer cet article 270 Accès aux détails des métriques Dans la transition inverse de l'écoulement dans les canalisations, l'écoulement turbulent se transforme en écoulement laminaire moins perturbé.

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12333 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

Dans la transition inverse de l'écoulement dans les conduites, l'écoulement turbulent se transforme en écoulement laminaire moins perturbé. L'entropie du flux semble diminuer. Cette étude a examiné la transition inverse de manière expérimentale et théorique en utilisant des modèles de changement d'entropie et d'équilibre de quantité de mouvement, et non en termes de perturbation de l'écoulement. La transition inverse a été réalisée en diminuant le nombre de Reynolds. Les transitions étaient approximativement corrélées aux nombres de Reynolds locaux. Le nombre de Reynolds initial de la transition est devenu plus grand et la pression aux faibles nombres de Reynolds était plus grande que dans un écoulement de canalisation ordinaire. Ces comportements étaient provoqués par un écoulement turbulent dans la conduite subissant une transition inverse. Nous avons montré que l'entropie ne diminuait pas dans la transition inverse en incluant l'entropie due aux frictions dans la région de développement.

La transition laminaire à turbulente a été décrite pour la première fois par Reynolds au XIXe siècle1, et depuis lors, elle a été étudiée dans les écoulements dans des conduites et des conduits. Bien que le phénomène de transition soit courant et apparemment simple, plusieurs problèmes restent à résoudre. L’un des problèmes est l’apparition d’une « relaminarisation », également connue sous le nom de transition inverse2,3,4,5,6,7,8,9. Dans ce phénomène, un écoulement turbulent perturbé se transforme en un écoulement laminaire moins perturbé. Par conséquent, l’entropie du flux semble diminuer. Narasimha et Sreenivasan2 ont rapporté qu’« une réaction courante lorsque le sujet était évoqué était que la transition implicite du désordre à l’ordre était thermodynamiquement impossible ! » Patel et Head3 ont examiné les similitudes et les différences dans les transitions inverses dans les écoulements de canalisations et les couches limites. Sibulkin6 a rapporté que la transition de relaminarisation s'est produite plus rapidement pour des nombres de Reynolds plus petits. Narayanan7 a indiqué la distance requise pour la transition inverse. Seki et Matsubara8 ont discuté du nombre de Reynolds critique dans le cas de la relaminarisation. Ces études ont réalisé une transition inverse en diminuant le nombre de Reynolds à un niveau inférieur au nombre de Reynolds critique, qui se situait entre 1 400 et 1 700. En dessous du nombre de Reynolds critique, il n'y a pas de transition d'un écoulement laminaire à un écoulement turbulent. La transition inverse a été discutée en termes de dissipation des perturbations. Cependant, la question de savoir si la transition inverse semble violer la deuxième loi de la thermodynamique reste sans réponse.

Kanda10 a étudié une transition typique de laminaire à turbulente dans un écoulement droit par équilibre de quantité de mouvement dans la région de transition. Hattori et al.11 ont révélé que les turbulences d'afflux de la région de développement vers la région de transition affectaient les conditions de transition en aval par changement d'entropie, et non en termes de perturbation. Ces relations sont fondamentales en physique même lorsque l'écoulement est laminaire ou turbulent, qu'il y ait ou non perturbation.

Dans la présente étude, la transition inverse du débit dans les conduites a été examinée expérimentalement et théoriquement. Les conditions d'une transition inverse et la transition laminaire à turbulent dans un écoulement de conduite subissant une transition inverse ont été examinées à l'aide de modèles de changement d'entropie et d'équilibre de quantité de mouvement. Cet article montre les résultats expérimentaux et analytiques.

Les conditions d’écoulement des tuyaux ont été surveillées grâce à la visualisation de l’encre et à la mesure de la pression. Deux tuyaux en uréthane de diamètres différents étaient reliés par un conduit divergent. La figure 1 montre des schémas de la configuration expérimentale. Deux tuyaux en uréthane de diamètres différents étaient reliés par un conduit divergent.

Montage expérimental. (a) Schéma de la configuration expérimentale, (b) bloc de tuyaux divergents du tuyau A et (c) bloc de tuyaux divergents du tuyau B.

Dans cette situation, le nombre de Reynolds était plus petit dans la conduite aval que dans la conduite amont. Pour étudier l'influence du rapport de divergence des canalisations amont/aval sur la transition inverse, deux ensembles de canalisations connectées ont été testés. Dans le tuyau A, un tuyau d'un diamètre intérieur de D1 = 6,5 mm et d'une longueur de L1 = 1,73 m a été raccordé à un tuyau en aval d'un diamètre intérieur de D2 = 11 mm et d'une longueur de L2 = 2,13 m. Dans le tuyau B, un tuyau d'un diamètre intérieur de D1 = 8 mm et d'une longueur de L1 = 2,13 m a été utilisé pour le tuyau amont. A titre de comparaison, la conduite aval a été testée seule comme une conduite ordinaire, désignée conduite C.