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Roughness-induced critical phenomenon analogy for turbulent friction factor explained by a co-spectral budget model

物理 湍流 无量纲量 机械 雷诺数 表面光洁度 各向同性 经典力学 光学 复合材料 材料科学
作者
Shuolin Li,Gabriel G. Katul
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:33 (10) 被引量:5
标识
DOI:10.1063/5.0069705
摘要

Drawing on an analogy to critical phenomena, it was shown that the Nikuradse turbulent friction factor ($f_t$) measurements in pipes of radius $R$ and wall roughness $r$ can be collapsed onto a one-dimensional curve expressed as a conveyance law $f_t Re^{1/4}=g_o(\chi)$, where $Re$ is a bulk Reynolds number, $\chi =Re^{3/4}\left({r}/{R}\right)$. The implicit function $g_o(.)$ was conjectured based on matching two asymptotic limits of $f_t$. However, the connection between $g_o(.)$ and the phenomenon it proclaims to represent - turbulent eddies - remains lacking. Using models for the wall-normal velocity spectrum and return-to-isotropy for pressure-strain effects to close a co-spectral density budget, a derivation of $g_o(.)$ is offered. The proposed method explicitly derives the solution of the conveyance law and provides a physical interpretation of $\chi$ as a dimensionless length scale reflecting the competition between viscous sublayer thickness and characteristic height of roughness elements. The application of the proposed method to other published measurements spanning roughness and Reynolds numbers beyond the original Nikuradse range is further discussed.

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