[論文レビュー] Applications of elastic instability and elastic turbulence: Review, limitations, and future directions

C. Sasmal|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2023

Rheology and Fluid Dynamics Studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、微小流体混合、微小スケール熱伝達、および化学的強化原油回収（EOR）における弾性不安定性（EI）および弾性乱流（ET）の応用をレビューし、輸送プロセスの向上可能性を強調している。現在の研究における主な制限要因を特定し、電気力学的駆動ET、ミクロスケールの動態、実世界応用に関する今後の研究を要請している。

ABSTRACT

Viscoelastic fluids are a subclass of complex fluids used in widespread applications ranging from biological to large-scale industrial settings. These fluids are often associated with various complex flow phenomena due to the presence of non-linear elastic stresses, originating due to the stretching and relaxation phenomena of microstructure (such as polymer molecules in the case of a viscoelastic polymer solution) in a deformed flow field. One such phenomenon is elastic instability (EI) which emerges due to the interaction between elastic stresses and streamline curvature present in a flow system at small values of the Renolds number (ratio of the inertial to that of the viscous forces) when the Weissenberg number (ratio of the microstructure relaxation time to that of the rate of flow deformation) exceeds a critical value. On further increasing this Weissenberg number to higher values, the unstable flow field caused due to this elastic instability transits to a more chaotic and turbulent-like flow structure called elastic turbulence (ET). Over the last two decades or so, an extensive investigation has been performed on this particular topic in the complex fluids research community. Some excellent articles recently present this ET phenomenon's development, understanding, and progress in the literature. This article focuses on the application perspectives of this phenomenon. In particular, this article aims to provide a comprehensive review of the investigations conducted so far in the literature to demonstrate the potential of these EI and ET phenomena in three main application areas, namely, microfluidic mixing, microscale heat transfer, and chemically enhanced oil recovery (EOR) process. Additionally, a detailed discussion of the limitations and future directions of these EI and ET phenomena from an application point of view is also presented in this article.

研究の動機と目的

• 微小流体系、熱伝達、および強化原油回収（EOR）における弾性不安定性（EI）および弾性乱流（ET）の応用可能性を包括的にレビューすること。
• 特に現実世界への適用可能性とシステムの複雑さに関連する、現在の実験的および数値的研究におけるEIおよびETに関する重要な制限要因を特定すること。
• ポリマー性界面活性剤および非ニュートン流体性原油を含む複雑な流体系において、ETのミクロスケールでの研究が著しく不足していることの顕在化。
• 移動部品のない微小流体デバイスにおいて利点を有する電気力学的駆動ETに関する今後の研究を提唱すること。
• マイクロヒートシンクやラボオンチップ反応器のような実用的工学システムへのEIおよびETの直接的応用を検証する実験の促進。

提案手法

• 微小流体混合、微小スケール熱伝達、およびEORの3つの応用分野におけるEIおよびETに関する実験的および数値的研究の体系的文献レビュー。
• EIの発生およびETへの遷移を支配する主要な無次元パラメータとしてのウィッセンベルグ数（Wi = λγ̇）の分析。
• 計算流体力学（CFD）および直接数値シミュレーション（DNS）を用いた流れの動態評価により、粘弾性応力の発生および不安定性の発生をモデル化。
• 粒子画像ビジョメトリ（PIV）およびシュリーゼン撮影法を用いて、ETに起因する混合的流れ構造の実験的可視化。
• 圧力駆動型と電気力学的駆動型の流れシステムを比較し、低レイノルズ数微小流体プラットフォームにおけるET生成の可能性を評価。
• 孔内スケールのシミュレーションにおいて、駆動流体（例：ポリマー溶液）および被駆動流体（例：剪切薄体性原油）の流れの物性を組み込む rheological モデルの適用。

Figure 1: Experimental study of the mixing performance in a curvilinear microchannel utilizing the EI and ET phenomena Groisman and Steinberg ( 2001 ) . (a) The experimental setup consisted of a curvilinear microchannel with two inlets and smoothly connected sixty half-rings (numbered 1, 2, .., 30)

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして弾性不安定性および弾性乱流を活用することで、微小流体デバイスにおける混合効率を向上させることができるか？
• RQ2 低レイノルズ数条件下における微小スケールヒートシンクにおいて、ETは熱伝達率をどのように向上させるか？
• RQ3 駆動流体（例：ポリマー溶液）および被駆動流体（例：非ニュートン流体性原油）の流動特性が、多孔質媒体内でのET駆動原油回収に与える影響は何か？
• RQ4 ポリマー性界面活性剤を含む系においてETのミクロスケール研究が著しく不足している理由は何か、EOR応用に与える影響は何か？
• RQ5 電気力学的駆動流は圧力駆動流に比べてETをより効果的に生成できるのか、微小流体システムにおける実用的利点は何か？

主な発見

• ETは、外部の撹拌が不要な低レイノルズ数条件下でも、混合を促進するための混合的流れ構造を生成することで、微小流体系における混合効率を顕著に向上させる。
• 電気力学的駆動ETは、プラグ型速度プロファイルと移動部品の不在という利点を有するため、圧力駆動システムの代替として有望であるが、実験的検証は依然として限定的である。
• 化学的強化原油回収（EOR）においては、ETが多孔質媒体内での流体混合を促進し、流れのパスを変化させることで、原油回収効率の向上に寄与するが、これはまだ大規模応用では確立されていない。
• ETに関する多数の研究で、原油の流動特性が無視されがちであるが、剪切薄体性、降着応力、粘弾性を示す可能性があり、これらはETの発生および原油回収に顕著な影響を与える。
• ポリマーの種類、濃度、分子量がET生成に与える影響を体系的に調査する研究が著しく不足しており、産業的EOR応用の最適化を妨げている。
• 高レイノルズ数における弾性慣性乱流（EIT）に関する広範な研究がある一方で、ETからEITへの遷移経路は未だ十分に調査されていないが、最近のシミュレーションでは両領域を結ぶ連続的な線形不安定性分岐が存在すると示唆されている。

Figure 2: Mixing patterns of an ink drop placed at the center of a Couette-Taylor (CT) cell utilizing the ET phenomenon at different times Groisman and Steinberg ( 2004 ) in viscoelastic polymer solutions (a) and a Newtonian solvent (b).