[论文解读] 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 10

一句话总结

本研究揭示，在高弹性的二维直通道中，粘弹性流体的弹性湍流表现出自组织循环过程（SSP），其涉及条纹和流向涡旋的相干结构（CSs），该过程由类似Kelvin-Helmholtz的不稳定性驱动，并通过弹性波介导的能量从大尺度向小尺度传递而持续。SSP与CSs在粘弹性流体和牛顿流体中均普遍存在，表明这是线性稳定剪切流向湍流转变中的基本机制。

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.

研究动机与目标

• 研究在粘弹性流体流经直二维通道时，弹性湍流中流动结构与动力学的性质。
• 检验早期关于弹性湍流中相干结构（CSs）的观测结果，评估其稳定性和演化过程。
• 确定弹性湍流中的自组织循环过程（SSP）是否与牛顿湍流中观测到的过程相似。
• 考察弹性波在维持相干结构及实现湍流动能谱中能量传递方面的作用。

提出的方法

• 在高弹度数下，通过直接数值模拟或实验观测直二维通道中粘弹性流体的流动。
• 通过流场分析识别并追踪由条纹和流向涡旋组成的相干结构（CSs）。
• 分析不稳定性机制，特别是导致条纹破裂为混沌结构的类似Kelvin-Helmholtz的不稳定性。
• 利用谱分析量化跨尺度能量传递，重点关注弹性湍流能谱中的幂律衰减。
• 研究弹性波动力学及其在将能量从大尺度泵送到小尺度中的作用。
• 对比粘弹性流中的SSP动力学与已知的牛顿流体通道流中的SSP机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在直二维通道中，条纹和流向涡旋的相干结构（CSs）是否会在弹性湍流中形成并持续存在？
• RQ2 类似Kelvin-Helmholtz的不稳定性在弹性湍流中相干结构的周期性破坏与再生过程中起什么作用？
• RQ3 弹性波如何促进能量传递并维持粘弹性流中的自组织循环过程（SSP）？
• RQ4 弹性湍流中SSP的动力学与牛顿湍流中的动力学在多大程度上相似？
• RQ5 所观测到的弹性湍流中自持过程（SSP）是否在所有线性稳定剪切流中普遍存在，而不论流体的弹性如何？

主要发现

• 观察到涉及条纹和流向涡旋的相干结构（CSs）的自组织循环过程（SSP），该过程周期性重复并导致随机稳态。
• 条纹破裂为混沌结构是由类似Kelvin-Helmholtz的不稳定性引发，从而启动循环过程。
• 识别出弹性波是关键机制，可在能谱出现急剧幂律衰减之前，实现能量从大尺度向小尺度的泵送。
• 弹性湍流中的SSP机制与牛顿湍流中观测到的机制极为相似，表明在不同流体类型中向湍流转变具有普遍性。
• 相干结构的存在及SSP机制由弹性波活动维持，表明弹性并非仅是被动属性，而是主动塑造湍流动力学。
• 研究结果支持相干结构与自组织循环过程在所有线性稳定平面剪切流中普遍存在，无论流体是牛顿型还是粘弹性。