Flow of Non-Newtonian Fluids in an Annulus with Rotation of the Inner Cylinder

This experimental study concerns the characteristics of a helical flow in a concentric annulus with a diameter ratio of 0.52, whose outer cylinder is stationary and inner one is rotating. The pressure losses and skin friction coefficients have been measured for the fully developed flow of Non-Newtonian fluid, aqueous solution of sodium carbomethyl cellulose (CMC) and bentonite with inner cylinder rotational speed of 0~400 prm. Also, the visualization of helical flows has been performed to observe the unstable waves. The results of present study reveal the relation of the Reynolds number Re and Rossby number Ro with respect to the skin friction coefficients. In somehow, they show the existence of flow instability mechanism. The pressure losses increase as the rotational speed increases, but the gradient of pressure losses decreases as the Reynolds number increases in the regime of transition and turbulence. And the increase of flow disturbance by Taylor vortex in a concentric annulus with rotating inner cylinder results in the decrease of the critical Reynolds number with the increase of skin friction coefficient.

안쪽축이 회전하는 환형관내 비뉴튼유체 유동 연구

본 연구는 안쪽축이 회전하고 바깥쪽 실린더는 정지해있는 반경비가0.52이고 30$^{\circ}$ 경사진 동심 환형관내의 헬리컬 유동 특성에 관한 것이다. 비뉴튼 유체인 UC 수용액과 벤토나이트 수용액을 사용하여 안쪽축이 0~400pm으로 회전할 때 축방향 유동을 완전히 발달시킨 후 축방향 압력손실값을 측정하였다. 또한, 헬리컬 유동의 가시화는 불안정한 파를 관찰하기 위해 수행되었다. 현재 연구 결과는 표면마찰계수에 대해 로스비순(Ro)와 레이놀즈수(Re)의 관계를 나타내었다. 또한, 그 결과들은 유동 불안정성 메카니즘의 존재를 보인다. 축회전수가 증가함에 따라 압력손실이 증가하지만, 그 증가폭은 천이 및 난류영역에서는 레이놀즈수가 증가할수록 감소하며, 회전의 영향으로 유동교란이 증진되어 천이가 촉진된다. 또, 이런 유동교란의 증진은 표면마찰계수값의 증가와 함께 임계 레이놀즈수(Re$_{c}$)를 작게 만든다.