Orientation and rotation rates of non-axisymmetric fibers in turbulent channel flow

Abstract

In this work, we investigate the dynamics of long non-axisymmetric fibers in turbulent channel flow. The experimental facility is the TU Wien Turbulent Water Channel, consisting of a closed water channel (aspect ratio 10), and the experiments are performed at the shear Reynolds numbers of 180, 360, and 720. Fibers are neutrally buoyant rods, with length-to-diameter ratio of 120, and their asymmetry in shape is induced by a curvature. We propose, for the first time, a three-dimensional reconstruction and tracking method for non-axisymmetric fibers based on the light intensity distribution, which is obtained with the multiplicative algebraic reconstruction technique (MART). Curvature and orientation of the fibers are identified and the fibers are tracked within the measurement volume. We show that the proposed fiber detection methodology allows an accurate and time-resolved reconstruction of both position and orientation of the fibers. We investigate the behaviour of the fibers, from the nearwall region to the channel center, and we produce original statistics on the effect of curvature of the fibers on their orientation and rotation rates. Shape asymmetry shows a significant effect on the distribution, orientation, and rotation rates. Preferential orientation of the fibers in the near wall region shows a noticeable influence by the near wall coherent structures, and shape asymmetry dictates the different orientations for fibers. In particular, we observed that the orientation of curved fibers in the near wall region, bears similarities with inertial disks preferential orientation. Statistics of both mean square spinning and tumbling rates of the fibers are reported in this study. We have been able to compare the tumbling rate of our long non-axisymmetric fibers with previous solutions for curved ellipsoids in simple shear flow. Finally, we report that, independent of fibers shape asymmetry rate and their length to flow Kolmogorov length scale ratio, fibers tend to spin more than tumble, ⟨ΩsΩs⟩ / ⟨ΩtΩt⟩> 1 and magnitude of this ratio decreases by increasing the asymmetry in shape.

In dieser Arbeit untersuchen wir die Dynamik langer, nicht-axialsymmetrischer Fasern in einer turbulenten Kanalströmung. Die Versuchsanlage ist der TU Wien Turbulent Water Channel, bestehend aus einem geschlossenen Wasserkanal (Aspektverhältnis 10) und die Versuche werden bei den Scher-Reynoldszahlen von 180, 360 und 720 durchgeführt. Die Fasern sind neutral schwimmende Stäbe , das Verhältnis von Länge zu Durchmesser beträgt 120 und ihre Asymmetrie wird durch ihre Krümmung bestimmt. Erstmals stellen wir ein dreidimensionales Rekonstruktions- und Trackingverfahren für nicht axialsymmetrische Fasern vor, das auf der Lichtintensitätsverteilung basiert, die mit der multiplikativen algebraischen Rekonstruktionstechnik (MART) gewonnen wird. Die Krümmung und Orientierung der Fasern werden identifiziert und die Fasern werden innerhalb des Messvolumens verfolgt. Wir zeigen, dass die vorgeschlagene Faserdetektionsmethodik eine akkurate und zeitaufgelöste Rekonstruktion sowohl der Position als auch der Orientierung der Fasern ermöglicht. Wir untersuchen das Verhalten der Fasern vom wandnahen Bereich bis zum Kanalmitte und erstellen neuartige Statistiken über den Einfluss der Krümmung der Fasern auf ihre Orientierung und Rotationsgeschwindigkeit. Die Formasymmetrie zeigt einen signifikanten Einfluss auf die Verteilung, Orientierung und Rotationsgeschwindigkeiten. Die bevorzugte Orientierung der Fasern im wandnahen Bereich wird merklich durch die wandnahen kohärenten Strukturen beeinflusst, und die Formasymmetrie bestimm t die unterschiedlichen Orientierungen der Fasern. Insbesondere beobachteten wir, dass die Orientierung gekrümmter Fasern im wandnahen Bereich Ähnlichkeiten mit der bevorzugten Orientierung von träge n Scheiben aufweist. In dieser Studie werden Statistiken sowohl der mittleren quadratischen Spinn- als auch der Taumelraten der Fasern berichtet. Wir konnten die Taumelrate unserer langen nicht-axialsymmetrischen Fasern mit früheren Lösungen für gekrümmte Ellipsoide in einfacher Scherströmung vergleichen. Schließlich berichten wir, dass Fasern, unabhängig von der Asymmetrierate der Faserform und ihrem Verhältnis von Länge zu Kolmogorov-Längenskalen, dazu neigen, sich mehr zu drehen als zu taumeln, ⟨ ΩsΩs ⟩ / ⟨ ΩtΩt ⟩ > 1 und die Größe dieses Verhältnisses nimmt mit zunehmender Asymmetrie zu.