[논문 리뷰] Universal coherent structures of elastic turbulence in straight channel with viscoelastic fluid flow

Narsing K. Jha, Victor Steinberg|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 25.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows참고 문헌 24인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 점탄성 유체가 흐르는 직선 2차원 채널에서의 탄성 난류가, 스트리크와 유선 방향 소용돌이로 구성된 응집된 구조(CSs)를 포함하는 자가 조직화된 사이클링 과정(SSP)을 보이며, 켈빈-헬름홀츠 유사 불안정성에 의해 유도되고 큰 척도에서 작은 척도로의 탄성파를 통한 에너지 전달에 의해 유지된다는 것을 밝혀냈다. SSP와 CSs는 점탄성 유체뿐 아니라 뉴턴 유체에서도 관찰되어, 선형적으로 안정된 비틀림 흐름에서 난류로의 전이에 근본적인 메커니즘이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

In the present study, we investigated flow structures and properties of elastic turbulence in straight 2D channel viscoelastic fluid flow and tested earlier observations. We discovered self-organized cycling process of weakly unstable coherent structures (CSs) of co-existing streaks and stream-wise vortices, with the former being destroyed by Kelvin-Helmholtz-like instability resulting in chaotic structures. The sequence periodically repeats itself leading to stochastically steady state. This self-sustained process (SSP) remarkably resembles one investigated theoretically and experimentally for Newtonian turbulence in straight channel flow. The unexpected new ingredient is the observation of elastic waves, which finds to be critical for existence of CSs and SSP generation due to energy pumping from large to smaller scales preceding sharp power-law decay in elastic turbulence energy spectrum. The reported finding suggests the universality of CSs in transition to turbulence via self-organized cycling (SSP) in linearly stable plane shear flows of both elastic and Newtonian fluids.

연구 동기 및 목표

• 직선 2차원 채널에서 점탄성 유체 흐름 조건 하에서 탄성 난류 내 흐름 구조와 역학의 성격을 조사하기 위해.
• 이전에 관측된 탄성 난류 내 응집된 구조(CSs)의 안정성과 진화를 검증하기 위해.
• 탄성 난류 내 자가 조직화된 사이클링 과정(SSP)이 뉴턴 난류에서 관찰된 바와 유사한가를 판단하기 위해.
• 탄성파가 응집된 구조 유지 및 난류 에너지 스펙트럼 내 에너지 전달에 어떻게 기여하는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 고점탄성수를 가진 직선 2차원 채널 내 점탄성 유체 흐름의 직접 수치 시뮬레이션 또는 실험 관찰.
• 유동장 분석을 통한 스트리크와 유선 방향 소용돌이로 구성된 응집된 구조(CSs)의 식별 및 추적.
• 특히 스트리크가 혼돈 구조로 붕괴되는 데 기여하는 켈빈-헬름홀츠 유사 불안정성과 같은 불안정성 메커니즘의 분석.
• 에너지 스펙트럼 내 거듭제곱 감쇠를 중심으로 스펙트럼 분석을 사용한 척도 간 에너지 전달의 정량화.
• 탄성파 역학과 큰 척도에서 작은 척도로의 에너지 펌프 작용에 기여하는 탄성파의 역할 분석.
• 점탄성 유동 내 SSP 역학을 뉴턴 채널 유동에서 알려진 SSP 메커니즘과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직선 2차원 채널 내 탄성 난류에서 스트리크와 유선 방향 소용돌이로 구성된 응집된 구조(CSs)가 형성되고 지속되는가?
• RQ2 켈빈-헬름홀츠 유사 불안정성이 탄성 난류 내 응집된 구조의 주기적 붕괴와 재생에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 탄성파는 점탄성 유동 내 자가 조직화된 사이클링 과정(SSP)의 유지 및 에너지 전달에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 탄성 난류 내 SSP의 역학이 뉴턴 난류 내 역학과 어느 정도 유사한가?
• RQ5 관측된 자가 유지 과정(SSP)이 점탄성 유체의 유동성에 관계없이 선형적으로 안정된 비틀림 흐름 전역에서 보편적인가?

주요 결과

• 스트리크와 유선 방향 소용돌이로 구성된 응집된 구조(CSs)를 포함하는 자가 조직화된 사이클링 과정(SSP)이 관찰되었으며, 이 과정은 주기적으로 반복되어 확률적 평형 상태에 도달했다.
• 스트리크가 혼돈 구조로 붕괴되는 것은 켈빈-헬름홀츠 유사 불안정성에 의해 유도되며, 이는 사이클의 시작을 알린다.
• 탄성파는 큰 척도에서 작은 척도로의 에너지 펌프 작용을 가능하게 하여 에너지 스펙트럼 내 급격한 거듭제곱 감쇠가 발생하기 이전에 중요한 메커니즘이었다.
• 탄성 난류 내 SSP 메커니즘은 뉴턴 난류에서 관찰된 바와 유사하여, 다양한 유체 유형 간 난류 전이에 보편적인 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 응집된 구조와 SSP 메커니즘은 탄성파 활동에 의해 유지되며, 이는 점탄성의 특성이 수동적인 성질이 아니라 난류 역학을 활발히 형성한다는 것을 시사한다.
• 이러한 발견은 선형적으로 안정된 평면 비틀림 흐름 전역에서 응집된 구조와 자가 조직화된 사이클링의 보편성이 점탄성 또는 뉴턴 유체 여부에 관계없이 성립함을 뒷받침한다.