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西工大科研团队在Science Advances发表论文揭示高聚物湍流中的能量传输机制
2021-04-06 09:59:00
西北工业大学
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  近日,Science Advances《科学•进展》在线刊登了西北工业大学航空学院和极端力学研究院郗恒东教授课题组关于高聚物湍流(添加了高聚物的湍流)中能量传输的最新研究进展,论文的题目为“Experimental observation of the elastic range scaling in turbulent flow with polymer additives”(添加了高聚物的湍流中弹性标度律的实验发现)。

  高聚物已经被广泛地运用于管道流动减阻、原油开采、水下航行器减阻降噪和提升航空燃油安全性等领域。上述工业运用的共同点是通过高聚物与湍流的相互作用改变流动结构,进一步改变流动对能量、动量和物质的输运。因此研究高聚物与湍流相互作用的机理将为工业运用提供重要的理论支撑。然而即使是“最简单”的均匀各向同性湍流,我们对其与高聚物相互作用的理解仍然十分有限。在均匀各向同性湍流中,能量从大尺度结构注入到系统中,然后一级一级向小尺度传递,直到最小的尺度上,能量通过粘性以热量的形式耗散,这个过程被称为湍流的能量级串过程。

  郗恒东教授等人在先前研究工作(Xi et al,Phys. Rev. Lett., 2013)中发展了de Gennes的“能量平衡理论”,提出了“能量传输率平衡理论”,获得了高聚物改变湍流能量级串过程的临界尺度。小于临界尺度上湍流能量级串将被高聚物“截断”,但在这个被“截断”的区间范围内,能量究竟是如何传输的,至今仍不得而知。

  针对这一问题,研究团队在自行搭建的冯·卡门涡旋流动系统中,通过长时间粒子图像测速获得统计意义上大量的速度数据,他们发现在被高聚物“截断”的区间范围内速度的结构函数存在一个新的标度律区间:弹性区。在弹性区内,由于高聚物弹性势能和流动动能之间的相互交换,能量传输率不再是一个常数,而是随着尺度减小而减小,且与尺度满足标度律关系,另外高聚物的添加并不会改变弹性区内能量传输率的间歇性。

  该研究成果首次在实验上回答了长期以来关于高雷诺数下高聚物湍流中是否存在新的标度律的问题,为后续的理论和模型研究奠定了坚实的实验基础。研究成果可以拓展到其他类似的涉及到能量级串和另一个对尺度有依赖关系的物理机制相互作用的系统,如涉及到电磁相互作用的等离子流动系统,或存在阿尔芬波(Alfven waves)的超流体系统等。

图注:纯水和高聚物稀溶液中湍流的能量级串过程及其对应的二阶纵向速度结构函数

  该工作是郗恒东教授课题组与清华大学燃烧能源中心和航天航空学院徐海涛教授和德国哥廷根马克斯-普朗克动力学与自组织研究所的Eberhard Bodenschatz教授合作完成的。论文第一作者为西北工业大学航空学院博士生张亿宝,西北工业大学为第一单位,郗恒东教授和徐海涛教授为论文共同通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、“飞行器复杂流动与控制创新引智基地”的支持。

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