[论文解读] Experimental observation of the origin and structure of elasto-inertial turbulence

George H. Choueiri, José M. López+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2021

Rheology and Fluid Dynamics Studies参考文献 31被引用 48

一句话总结

本研究通过实验确定了粘弹性流体中弹性惯性湍流（EIT）的起源与结构，表明在临界附近出现线性预测的V形条纹图案，但非线性效应的影响比理论预测更早显现。EIT在雷诺数超过三个甲子的范围内持续存在，随着惯性增加，其结构由中心模态演变为壁面模态，并在接近最大减阻极限时仍主导粘弹性流体流动。

ABSTRACT

Turbulence generally arises in shear flows if velocities and hence inertial forces are sufficiently large. In striking contrast, viscoelastic fluids can exhibit disordered motion even at vanishing inertia. Intermediate between these cases, a novel state of chaotic motion, `elasto-inertial turbulence' (EIT), has been observed in a narrow Reynolds number interval. We here determine the origin of EIT in experiments and show that characteristic EIT structures can be detected across an unexpectedly wide range of parameters. Close to onset a pattern of chevron shaped streaks emerges in excellent agreement with linear theory. However, the instability can be traced to far lower Reynolds numbers than permitted by theory. For increasing inertia, a secondary instability gives rise to a wall mode composed of inclined near wall streaks and shear layers. This mode persists to what is known as the `maximum drag reduction limit' and overall EIT is found to dominate viscoelastic flows across more than three orders of magnitude in Reynolds number.

研究动机与目标

• 通过实验确定粘弹性剪切流中弹性惯性湍流（EIT）起源及其结构演化的机制。
• 检验线性稳定性理论对EIT起始预测的有效性，并与实验观测结果进行对比。
• 研究从早期弱混沌流动向全发展EIT状态在宽范围雷诺数下的转变过程。
• 阐明弹性与惯性在EIT形成中的作用，尤其在聚合物引起的稳定与失稳效应相互冲突的背景下。
• 绘制EIT结构从近阈值不稳定性到最大减阻区的持久性图谱。

提出的方法

• 采用50%水-甘油混合液并添加600 ppm聚丙烯酰胺（数均分子量Mw = 5×10⁶ Da）以实现高粘度和粘弹性。
• 测量压力脉动，并利用粒子图像测速法（PIV）可视化管道中心平面上的速度场。
• 应用泰勒的冻结流假设，从PIV数据重建时间分辨的流动结构。
• 基于Oldroyd-B模型描述聚合物动力学，并采用胡克型哑铃近似，对基本层流态进行线性稳定性分析。
• 在Gauss-Lobatto-Chebyshev网格上使用有限差分法求解无量纲的Navier-Stokes方程与本构方程，对轴向和方位向傅里叶模态采用谱方法。
• 将数值模拟结果与已知的牛顿流体和粘弹性流体结果进行验证，涵盖临界与不稳定情形。

实验结果

研究问题

• RQ1 实验观测到的EIT起始附近的流动结构是否与线性稳定性分析预测的最不稳定模态一致？
• RQ2 与线性理论预测相比，非线性效应在EIT起始过程中影响程度如何？
• RQ3 随着雷诺数增加，EIT流动结构如何演化，特别是从中心模态向壁面模态的转变？
• RQ4 EIT结构是否可在宽范围雷诺数内被检测到，包括最大减阻区？
• RQ5 聚合物弹性在远低于线性失稳阈值的雷诺数下如何促成EIT的产生？

主要发现

• 在EIT起始附近（Re ≈ 18）实验观测到V形条纹图案，与线性稳定性分析预测的最不稳定模态完全一致。
• 即使在阈值附近，非线性效应已明显显现，流动表现出跨多个频率的脉动结构，表明存在弱混沌行为。
• 弹性惯性不稳定性持续存在的雷诺数比线性理论预测低一个数量级，提示存在非线性失稳机制。
• 随着Re增加，主导流动结构由中心模态演变为壁面模态，后者由倾斜的近壁条纹和剪切层组成。
• EIT结构在雷诺数超过三个甲子的范围内持续存在，延伸至最大减阻极限。
• 实验测得的压力脉动幅度随Re的平方根近似增长，表明湍流强度持续增强。