[論文レビュー] Universal coherent structures of elastic turbulence in straight channel with viscoelastic fluid flow

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

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 24被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、粘弾性流体を用いた直線的な2次元チャネル内における弾性乱流が、ストレーキングと流れ方向の渦の coherent 构造 (CSs) を含む自己組織的サイクル過程 (SSP) を示すことを明らかにした。このSSPは、ケルビン＝ヘルムホルツに類似した不安定性によって駆動され、大規模から小規模へとエネルギーを伝達する弾性波に依存して持続される。SSPおよびCSsは、粘弾性流体およびニュートン流体の両方で普遍的であるため、線形安定なせん断流れにおける乱流転移の根本的メカニズムを示している。

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.

研究の動機と目的

• 直線的2次元チャネル内における粘弾性流体の流れにおける乱流構造とダイナミクスの性質を調査すること。
• 過去の弾性乱流における coherent 构造 (CSs) の観察を検証し、その安定性と進化を評価すること。
• 弾性乱流における自己組織的サイクル過程 (SSP) が、ニュートン流体の乱流で観察されたものと類似しているかどうかを特定すること。
• 弾性波が、乱流エネルギースペクトル内での coherent 构造の維持とエネルギー移動に果たす役割を調査すること。

提案手法

• 高粘弾性数における直線的2次元チャネル内での粘弾性流体の流れの直接数値シミュレーションまたは実験的観察。
• 流れ場解析を用いたストレーキングと流れ方向の渦からなる coherent 构造 (CSs) の同定と追跡。
• 特にストレーキングが混沌たる構造に崩壊する原因となるケルビン＝ヘルムホルツに類似した不安定性メカニズムの分析。
• スペクトル解析を用いたスケール間エネルギー移動の定量的評価。特に、弾性乱流エネルギースペクトルにおける累乗則の減衰に注目。
• 弾性波ダイナミクスの検討と、大規模から小規模へエネルギーをポンプする役割の分析。
• 粘弾性流体のSSPダイナミクスを、既知のニュートン流体チャネル流れにおけるSSPメカニズムと比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストレーキングと流れ方向の渦からなる coherent 构造 (CSs) は、直線的2次元チャネル内における弾性乱流で形成され、持続するか？
• RQ2 ケルビン＝ヘルムホルツに類似した不安定性は、弾性乱流における coherent 构造の周期的破壊と再生に果たす役割は何か？
• RQ3 弾性波は、粘弾性流体におけるエネルギー移動と self-organized cycling processes (SSP) の維持にどのように寄与するか？
• RQ4 弾性乱流におけるSSPダイナミクスは、ニュートン流体の乱流におけるそれとどの程度類似しているか？
• RQ5 観察された self-sustained process (SSP) は、流体の粘弾性にかかわらず、線形安定せん断流れにおいて普遍的か？

主な発見

• ストレーキングと流れ方向の渦を含む coherent 构造 (CSs) の自己組織的サイクル過程 (SSP) が観察され、周期的に繰り返され、確率的定常状態に至った。
• ストレーキングが混沌たる構造に崩壊する原因は、ケルビン＝ヘルムホルツに類似した不安定性に起因し、サイクルの開始を引き起こす。
• 弾性波は、エネルギースペクトルにおける急激な累乗則の減衰が現れる以前に、大規模から小規模へエネルギーをポンプする重要なメカニズムであると特定された。
• 弾性乱流におけるSSPメカニズムは、ニュートン流体の乱流で観察されたものと類似しており、流体種にかかわらず乱流転移に普遍的なメカニズムである可能性を示唆している。
• coherent 构造およびSSPメカニズムは、弾性波活動によって維持されており、粘性が単なる受動的性質であるのではなく、乱流ダイナミクスを能動的に形作っていることを示している。
• 本研究の結果は、粘弾性流体であろうとニュートン流体であろうと、線形安定な平面せん断流れにおいて、coherent 构造および自己組織的サイクルの普遍性を支持している。