含聚合物添加剂的湍流弹性范围定标的实验观察

当长链柔性聚合物溶解在湍流中时，可以通过减少阻力和增强混合来大幅改变流动特性。材料科学中的一个基本难题是了解这些聚合物添加剂如何与湍流中不同的空间尺度相互作用，从而改变湍流的能量传递。现在在有关科学进步的新报告中，张艺宝和一个研究小组展示了在存在聚合物添加剂的情况下湍流动能如何在不同尺度上传递。研究小组注意到出现了以前无法确定的比例范围，称为弹性范围，在该范围内，聚合物的弹性可以转移更多的能量。该发现在许多湍流系统中具有重要应用，包括血浆或超流体中的湍流。

流动特性和速度结构函数(VSF)

材料科学家表明，将少量的长链柔性聚合物溶解在流体中会如何改变流动特性。雷诺数有助于预测不同流体流动情况下的流动模式。在低雷诺数下，正常的流体流动稳定且呈层流状态，添加聚合物会引起强烈的波动，从而产生弹性湍流。高雷诺数湍流可导致阻力显着降低以及对流换热的增强或降低。研究人员旨在从理论上和实践上了解聚合物与湍流级联之间的相互作用应用程序。它是目前关键全面测量能量谱或速度结构功能在湍流(VSF)与聚合物添加剂流动。在本报告中，Zhang等人。详细介绍了在实验室湍流装置中对新弹性范围的实验观察，并测量了在新弹性范围内速度结构函数的缩放比例，这与任何现有理论都不符。

实验装置

科学家在vonKármán旋流设备中产生了湍流，该设备中有两个反向旋转的盘，这些盘被装在一个装有100升水或聚合物溶液的圆柱罐中。他们使用立体粒子图像测速(PIV)系统测量了穿过油箱轴线的中心平面中流体速度的三个分量。根据测量，在水和长链聚合物在水中的稀溶液中，水箱中心附近的流动几乎均质且各向同性。科学家们使用了聚丙烯酰胺(PAM)用于实验过程中的聚合物。研究小组注意到，纯净水的雷诺数范围为340至350，这表明湍流的惯性范围已得到充分发展。在平衡时，聚合物保持卷曲状态。在溶液中微弱流动期间，聚合物保持卷曲状态，对流动的影响可忽略不计。相比之下，在剧烈流动期间，聚合物拉伸以存储弹性能以释放到流体中。然后，流体显示出粘弹性行为。在湍流中，他们使用魏森贝格数来表征过渡测量相对于湍流时间尺度的聚合物弛豫时间。为了使聚合物被流动拉伸，Weissenberg数必须大于1。在测量过程中，Zhang等人。仅考虑了流体与单一聚合物之间的相互作用，而忽略了聚合物与聚合物之间的直接相互作用。

测量弹性范围

为了量化弹性范围的边界，研究人员采用了Batchelor等人提出的牛顿湍流二阶纵向速度结构函数(VSF)的解析形式。随着样品中聚合物浓度的增加，测得的纵向速度导数的均方值减小，这表明能量在很小的范围内因粘度而耗散，这与以前的实验和数值模拟一致。随着聚合物浓度的增加，粘性耗散的减少以及湍流能量转移速率在更大范围内的独立性表明，弹性范围内的能量转移速率将发生重要变化。因此，该团队接下来研究了一种方法，该方法通过设置湍流与涡流和聚合物弹性之间的相互作用，将更多的能量逐渐吸收到聚合物的弹性能中来获得能量传递速率。

分频器规模。

张等。然后确定弹性范围，并检查弹性范围和耗散范围之间的交叉比例(称为a1)，然后检查弹性范围和惯性范围之间的交叉比例(称为a2)。然后，他们研究了两个交叉比例如何随控制参数而变化。弹性范围和耗散范围之间的交叉标度似乎随着聚合物浓度的增加而略有减小。但是，该团队认为这是由于粒子图像测速仪测量的空间分辨率差而可能造成的污染。然后，科学家将观察到的不准确度校正为聚合物浓度的函数，并表明对于较小的聚合物浓度，弹性范围和惯性范围之间的交叉比例非常小。

跨度标度a1在耗散范围和弹性范围之间的变化，以及a2在弹性范围和惯性范围之间的变化。对于四个不同的Rλ，a1和a2作为functions的函数。在这里，a1和a2从纯水的情况下用η归一化。还绘制了来自先前实验的较低浓度的a1 [Rλ= 270、340、360数据和Rλ= 350数据]进行比较。斜率= 0.8直线表示整个a2的比例为ϕ0.8，而斜率= 0.4直线的比较是将低浓度范围内的数据与预测值rε〜ϕ0.4进行比较。

高阶速度结构函数的缩放

该团队还研究了湍流问题，以在惯性范围内用水和聚合物添加剂定标高阶速度结构函数(VSF)。行为上的相似之处表明，聚合物如何改变通过鳞片传递能量的弹性范围。研究小组希望观察牛顿湍流和聚合物湍流之间的共同特征。结果表明，数据与预测结果之间具有极好的一致性，表明了在弹性范围内聚合物如何显着改变能量转移。同时，波动的局部能量传递遵循与牛顿湍流相似的统计描述。

这样，张艺宝及其同事通过实验观察了聚合物添加剂在湍流中弹性范围的变化。他们在存在聚合物添加剂的情况下测量了湍流动能传递。随着通过湍流的能量通量减少，通过聚合物的弹性自由度的能量通量增加。该研究为进一步研究聚合物添加剂的弹性和湍流之间的相互作用提供了理论依据和数值研究。这些实验过程实际上可以在物理机制(例如等离子体和Alfvén波中的电磁相互作用)中记录下来 在超流体中。

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