湍流中的多级转捩：涡结构和自维持机制

科学讲座3（2022）100043粘弹性湍流中的多级转捩：涡结构和自维持机制李Xi加拿大安大略省汉密尔顿市麦克马斯特大学化学工程系A R T I C L E I N F O A B S T R A C T关键词：湍流粘弹性流体弹性-惯性不稳定性减阻涡旋动力学直接数值模拟粘弹性稀聚合物溶液在湍流中表现出减阻作用。在Re不变的情况下，随着流体变得更有弹性（Wi增加），湍流在不同的湍流的几个阶段之间发生转变。第一个是阻力减小的开始，在此之前，湍流摩擦因子与其牛顿极限保持不可区分。二是从低尺度减阻（LDR）到高尺度减阻（HDR）的转变，越来越多的证据表明这是不同类型湍流动力学之间的质的转变第三个是收敛到最大减阻（MDR）渐近线，之后的摩擦因子成为常数。虽然随着Wi的增加而增加的减阻是直观地预期的，但是这些阶段之间的过渡伴随着湍流统计和结构模式的急剧变化，表明基本湍流动力学的根本差异。对这些转变的机械理解还远未完成。我们的最新工作为LDR-HDR和HDR-MDR过渡提供了新的见解 对于前者，我们开发了一种新的涡旋分析方法，称为VATIP，并将其应用于分析LDR和HDR区域构象统计之间的差异。这一结果将HDR的发生与一种新的湍流自维持机制的主导地位对于后者，虽然MDR问题的完整答案仍然难以捉摸，我们对所谓的弹性惯性湍流（EIT）的分析挑战了长期以来的MDR是不再受聚合物影响的最终湍流状态的假设这一发现为构建MDR的理论解释提供了新的思路本文的视频可以在j.sctalk.2022.100043上找到。https://doi.org/10.1016/图和表图1.一、在相同平均压力梯度下，通道中层流湍流、牛顿湍流和聚合物/粘弹性湍流的平均速度分布的示意性比较。（转载自[3]，经AIP出版社许可通讯作者。电子邮件地址：Xili@mcmaster.ca。h tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。20 22. 1 0 0 04 3接收于2022年6月7日;接受于2022年6月10日27 7 2 - 56 93/©2022TheA ut h or r. 由E lsevier L td提供。 这是一个操作过程，需要遵循C CBY指令（http：//c re ati ve c mmo ns. 或g/li ce nss/by/4. 0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkL. Xi科学讲座3（2022）1000432图二、Re-Wi参数空间中不同区域的减阻（DR）行为示意图，其中Re是雷诺数，Wi是Weissenberg数。虚线表示尚不完全清楚的制度边界对于一个给定的聚合物溶液，在一个固定的流动装置中增加流动速率遵循一条具有恒定Re/Wi的线（虚线），而改变流动几何尺寸（l），流体粘度（η）或聚合物弛豫时间（λH）会改变其斜率。（转载自[3]，经AIP出版社许可。）图3.第三章。实验测量的湍流槽道水流中水和聚合物溶液（不同浓度）的平均速度分布：（a）LDR（低程度减阻）;（b）HDR（高程度减阻）和MDR（最大减阻）。在下文中，上标“+”表示湍流内部单位中的无量纲量;y是到通道壁的距离。LDR和HDR曲线在半对数图中的斜率不同 （经Springer Nature许可转载：[2]，版权所有（1999）。L. Xi科学讲座3（2022）1000433图四、采用直接数值模拟（DNS）方法，计算了摩擦雷诺数Re τ= 86.15时，湍流槽道中牛顿流体和粘弹性流体的平均速度分布。（转载自[4]，版权所有（2018），经Elsevier许可图五、根据DNS计算了Reτ=86.15时，湍流槽道中牛顿流体和粘弹性流体的雷诺剪应力（RSS）分布。图例条目与图相同。四、在L DR处，R SS主要在（5

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