مطالعه ساختمان‌هاي گردابه‌اي در جريان آشفته كانال حاوي ميكروفيبر با استفاده از شبيه‌سازي مستقيم عددي

Study of vortical structures in a microfiber-induced drag-reduced turbulent channel flow using DNS

در اين تحقيق، با استفاده از نتايج شبيه‌سازي مستقيم عددي جريان آشفته كاهش درگ يافته در كانال، ساختمان‌هاي گردابه‌اي آشفته به ويژه در نزديكي ديوار بررسي شده‌اند. براي اين منظور از يك روش مونت-كارلو لاگرانژي براي شبيه‌سازي جهت‌گيري فضايي فيبرها استفاده شده است. يعني ميدان جريان به‌طور اويلري و ديناميك فيبر به‌طور لاگرانژي توصيف شده است. اين روش، حل دقيق معادلات پايه‌اي حاكم را بدست مي‌دهد. نوسان‌هاي ورتيسيته در كانال بررسي شده و نشان داده شد كه سطح اين نوسان‌ها در جريان كاهش درگ يافته، كاهش مي‌يابند. علت اين كاهش توسط كاهش سطح نوسان گراديان سرعت توضيح داده شده است. همچنين توزيع زاويه بين محور ورتيسيته و ديوار بررسي و نشان داده شده كه در هر دو جريان نيوتني و فيبري گردابه‌هاي نعل اسبي ايجاد مي‌شوند، ولي اين گردابه‌ها در جريان كاهش درگ يافته فيبري در فاصله دورتري از ديوار تشكيل مي‌شوند كه اين نشان دهنده تضعيف مكانيزم تزريق و جاروب در نزديكي ديوار است كه اين تضعيف مي‌تواند باعث كاهش درگ شود. همچنين توزيع زوايه گردابه‌ها در جريان كاهش درگ يافته منظم‌تر است.

In this study, using the results of a DNS of drag-reduced turbulent channel flow, vortical flow structures especially in the near-wall region are investigated. For this purpose, a Lagrangian Monte-Carlo method has been used to simulate the spatial orientation of fibers. Namely, the flow field is treated in an Eulerian manner whereas the fiber dynamics is described by a Lagrangian point of view. This method yields the exact solution of the governing equations. Vorticity fluctuations in the channel are studied and it turns out that the level of these fluctuations decreases in the drag-reduced flow. The reason for this reduction is explained using the reduction in velocity gradient fluctuations. Also, the distribution of the angle between the vorticity axis and the wall is studied and it turns out that horseshoe vortices exist in both flows. However, in the drag-reduced flow, they are formed farther away from the wall which indicates a weakening of sweep and ejection mechanism in the vicinity of the wall. This weakening leads to drag reduction. Also, the orientation of vortices in the drag-reduced flow is well ordered.