Pulsating Turbulent Flows through a Square Pipe

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Pulsating turbulent flows in a square pipe are studied numerically. The flow dominance regime in which the fluid flow rate remains positive in all phases of the oscillatory cycle is considered. The flows are studied at several oscillation frequencies. The results are compared with oscillating laminar flows and a steady turbulent flow in a square pipe, as well as with pulsating turbulent flows in a round pipe. The integral and fluctuating characteristics of turbulence and their dependence on the oscillation frequency are determined. In particular, it is found that at the considered Reynolds number Re = 2200 the friction coefficient in pulsating flows turns out to be lower than that in the stationary flows. The drag reduction increases with growth of the oscillation period and reaches 14.7%. A distinctive feature of turbulent flows in pipes of rectangular cross-section is the occurrence of secondary flows of Prandtl’s 2nd kind. The details of secondary flows under the pulsating flow conditions are studied at length.

About the authors

N. V. Nikitin

Moscow State University, Institute of Mechanics

Email: nvnikitin@mail.ru
Moscow, Russia

N. V. Popelenskaya

Moscow State University, Institute of Mechanics

Author for correspondence.
Email: aero.natap@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. Brereton G.J., Mankbadi R.R. Review of recent advances in the study of unsteady turbulent internal flows // Appl. Mech. Rev. 1995. V. 48. № 4. P. 189–212.
  2. Carpinlioglu M.O., Gundogdu M.Y. A critical review on pulsatile pipe flow studies directing towards future research topics // Flow Meas. Instrum. 2001. V. 12. P. 163–174.
  3. Manna M., Vacca A., Verzicco R. Pulsating pipe flow with large-amplitude oscillations in the very high frequency regime. Part 1. Time-averaged analysis // J. Fluid Mech. 2012. V. 700. P. 246–282.
  4. Papadopoulos P.K., Vouros A.P. Pulsating turbulent pipe flow in the current dominated regime at high and very-high frequencies // Int. J. Heat Fluid Flow. 2016. V. 58. P. 54–67.
  5. Stokes G.G. On the effect of the internal friction of fluids on the motion of pendulums // Cambridge Philos. Soc. 1850. V. 9. P. 1–86.
  6. Ramaprian B.R., Tu S.W. Fully developed periodic turbulent pipe flow. Part 2. The detailed structure of the flow // J. Fluid Mech. 1983. V. 137. P. 59–81.
  7. Tardu S.F., Binder G. Wall shear stress modulation in unsteady turbulent channel flow with high imposed frequencies // Phys. Fluids. 1993. V. 5. P. 2028–2034.
  8. Никитин Н.В., Попеленская Н.В., Stroh A. Вторичные течения Прандтля 2-го рода. Проблемы описания, предсказания, моделирования // Изв. РАН. МЖГ. 2021. № 4. С. 73–99.
  9. Gavrilakis S. Numerical simulation of low-Reynolds-number turbulent flow through a straight square duct // J. Fluid Mech. 1992. V. 244. P. 101–129.
  10. Никитин Н.В., Пиманов В.О., Попеленская Н.В. К вопросу об образовании вторичных течений Прандтля 2-го рода // ДАН. 2019. Т. 484. № 4. С. 420–425.
  11. Uhlmann M., Pinelli A., Kawahara G., Sekimoto A. Marginally turbulent flow in a square duct // J. Fluid Mech. 2007. V. 588. P. 153–162.
  12. Nikitin N. Finite-difference method for incompressible Navier–Stokes equations in arbitrary orthogonal curvilinear coordinates // J. Comput. Phys. 2006. V. 217. P. 759–781.
  13. Yakhot A., Arad M., Ben-Dor G. Numerical investigation of a laminar pulsating flow in a rectangular duct // Int. J. Numer. Meth. Fluids. 1999. V. 29. P. 935–950.
  14. Валуева Е.П., Пурдин М.С. Пульсирующее ламинарное течение в прямоугольном канале // Теплофизика и аэромеханика. 2015. Т. 22. № 6. С. 761–773.
  15. White F.M. Viscous fluid flow, 3rd edition. International edition: McGraw-Hill publication, 2006. 629 p.
  16. Uchida S. Pulsating viscous flow superposed on the steady laminar motion // Z. angew. Math. Phys. 1956. V. 7. P. 403–422.
  17. Richardson E.G., Tyler E. The transfer velocity gradient near the mouths of pipes in which an alternating or continuous flow of air is established // Proc. Phys. Soc. Lond. 1929. V. 42. P. 1–15.
  18. Lodahl C.R., Sumer B.M., Fredosoe J. Turbulent combined oscillatory flow and current in a pipe // J. Fluid Mech. 1998. V. 373. P. 313–348.
  19. Manna M., Vacca A. Spectral dynamic of pulsating turbulent pipe flow // Comput. Fluids. 2007. V. 37. P. 825–835.
  20. Gerrard J.H. An experimental investigation of pulsating turbulent water flow in a tube // J. Fluid Mech. 1971. V. 46. P. 43–64.
  21. Nikitin N. Turbulent secondary flows in channels with no-slip and shear-free boundaries // J. Fluid Mech. 2021. V. 917. P. A24.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (82KB)
3.

Download (133KB)
4.

Download (112KB)
5.

Download (154KB)
6.

Download (134KB)
7.

Download (152KB)
8.

Download (276KB)
9.

Download (952KB)
10.

Download (756KB)
11.

Download (1MB)
12.

Download (166KB)
13.

Download (109KB)

Copyright (c) 2023 Н.В. Никитин, Н.В. Попеленская

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».