用泰勒-库埃特装置表征粗糙表面的湍流阻力特性
流体动力学
2021-06-16 v1
摘要
壁面粗糙度在壁面有界湍流中诱发额外阻力。由于缺乏准确且直接的表面摩擦阻力测量，将任意给定粗糙度几何映射至其流体动力学行为一直受阻。此处泰勒-库埃特（TC）系统提供了契机，因其为封闭系统且允许直接可靠地测量表面摩擦。然而，壁面曲率可能使壁面摩擦与壁面粗糙度特征间的联系复杂化。本文研究了水动力完全粗糙表面对高湍流、内柱旋转TC流的影响。我们发现，水动力完全粗糙表面对TC湍流（其中粗糙度高度k比Obukhov曲率长度Lc小三个数量级，Lc表征曲率对湍流的影响，见Berghout等人 arXiv: 2003.03294, 2020）的影响，类似于完全粗糙表面对平板湍流边界层（BL）的影响。因此，表征粗糙表面阻力特性的等效沙粒高度ks值，与平板BL中可比砂纸表面所得值相近。接着，我们获得了给定壁面粗糙度（由ks表征）下转矩（表面摩擦阻力）对雷诺数的依赖关系，并与实验结果在5%内相符。我们的发现表明，TC装置中的全局转矩测量非常适于可靠推断任意粗糙表面的壁面阻力特性。
引用
@article{arxiv.2009.06442,
title = {Characterizing the turbulent drag properties of rough surfaces with a Taylor--Couette setup},
author = {Pieter Berghout and Pim A. Bullee and Thomas Fuchs and Sven Scharnowski and Christian J. Kähler and Daniel Chung and Detlef Lohse and Sander G. Huisman},
journal= {arXiv preprint arXiv:2009.06442},
year = {2021}
}
备注
18 pages, 13 figures