Turbulent Schmidt number and eddy diffusivity change with a chemical reaction
T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima
Turbulent Schmidt number and eddy diffusivity change with a chemical reaction
Journal of Fluid Mechanics 754 98-121 2014
This article may be found at https://doi.org/10.1017/jfm.2014.387.
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©Cambridge University Press
Abstract
We provide empirical evidence that the eddy diffusivity Dtα and the turbulent Schmidt number Sctα of species α (α=A,B or R) change with a second-order chemical reaction (A+B→R). In this study, concentrations of the reactive species and axial velocity are simultaneously measured in a planar liquid jet. Reactant A is premixed into the jet flow and reactant B is premixed into the ambient flow. An optical fibre probe based on light absorption spectrometry is combined with I-type hot-film anemometry to simultaneously measure concentration and velocity in the reactive flow. The eddy diffusivities and the turbulent Schmidt numbers are estimated from the simultaneous measurement results. The results show that the chemical reaction increases SctA; SctB is negative in the region where the mean concentration of reactant B decreases in the downstream direction, and is positive in the non-reactive flow in the entire region on the jet centreline. It is also shown that SctR is positive in the upstream region whereas it is negative in the downstream region. The production terms of axial turbulent mass fluxes of reactant B and product R can produce axial turbulent mass fluxes opposite to the axial gradients of the mean concentrations. The changes in the production terms due to the chemical reaction result in the negative turbulent Schmidt number of these species. These results imply that the gradient diffusion model using a global constant turbulent Schmidt number poorly predicts turbulent mass fluxes in reactive flows.
日本語訳 (DeepL翻訳)
化学反応に伴う乱流シュミット数および渦拡散係数の変化
化学種α（α=A,BまたはR）の渦拡散係数Dtαと乱流シュミット数Sctαが2次化学反応（A+B→R）に伴って変化することを実証的に示す。本研究では，平面液体噴流の反応種濃度と軸方向速度を同時に測定した．反応物Aは噴流中に、反応物Bは周囲流中に予混合される。光吸収分光法に基づく光ファイバープローブとI型ホットフィルム流速計を組み合わせて、反応性流体中の濃度と流速を同時に測定している。同時計測結果から、渦拡散係数と乱流シュミット数を推定した。その結果、化学反応によりSctAが増加すること、反応物Bの平均濃度が下流方向に減少する領域ではSctBが負になり、噴流中心線上の領域全体では非反応流で正であることが示された。また，SctR は上流域では正であるが，下流域では負であることが示された．反応物Bと生成物Rの軸方向乱流質量流束の生成項は，平均濃度の軸方向勾配とは逆の軸方向乱流質量流束を生成することができる．化学反応による生成項の変化により、これらの種の乱流シュミット数は負になる。これらの結果は、乱流シュミット数のグローバルな定数を用いた勾配拡散モデルが反応流の乱流質量フラックスの予測に不十分であることを示唆している。
