Wanneer flexibele polymeren met lange keten worden opgelost in een turbulente stroming, de vloei-eigenschappen kunnen drastisch worden veranderd door de weerstand te verminderen en de menging te verbeteren. Een fundamenteel raadsel in de materiaalkunde is om te begrijpen hoe deze polymeeradditieven interageren met verschillende ruimtelijke schalen in turbulente stroming om de turbulentie-energieoverdracht te veranderen. In een nieuw verslag nu op wetenschappelijke vooruitgang , Yi-Bao Zhang en een onderzoeksteam lieten zien hoe turbulente kinetische energie kan worden overgedragen over verschillende schalen in de aanwezigheid van polymeeradditieven. Het team merkte de opkomst op van een voorheen ongeïdentificeerd schaalbereik dat bekend staat als het elastische bereik, waar een verhoogde hoeveelheid energie kan worden overgedragen door de elasticiteit van de polymeren. De bevindingen hebben belangrijke toepassingen in veel turbulente systemen, inclusief turbulentie in plasma's of supervloeistoffen.

Stromingseigenschappen en snelheidsstructuurfunctie (VSF)

Materiaalwetenschappers hebben aangetoond hoe het oplossen van een kleine hoeveelheid flexibel polymeer met lange keten in een vloeistof de stromingseigenschappen kan veranderen. Reynoldsgetal helpt bij het voorspellen van stroompatronen onder verschillende vloeistofstroomsituaties. Bij lage Reynolds, normale vloeistofstroom is stabiel en laminair, en de toevoeging van polymeren kan sterke fluctuaties veroorzaken om elastische turbulentie te creëren. Turbulente stromingen met een hoog Reynolds-getal kunnen resulteren in een aanzienlijke vermindering van de weerstand en de verbetering of vermindering van de convectieve warmteoverdracht. Onderzoekers willen de interactie tussen polymeren en de turbulentiecascade begrijpen om theoretische redenen en praktische toepassingen. Het is momenteel van cruciaal belang om de energiespectra of de snelheidsstructuurfunctie (VSF) in turbulente stromingen met polymeeradditieven uitgebreid te meten. In dit rapport wordt Zhang et al. gedetailleerde een experimentele observatie van het nieuwe elastische bereik in een laboratoriumopstelling met turbulente stroming en de schaal van de snelheidsstructuurfunctie in het nieuwe elastische bereik gemeten, die afweek van elke bestaande theorie.

De wetenschappers genereerden de turbulente stroming in een von Kármán wervelend apparaat met twee tegengesteld draaiende schijven ingesloten in een cilindrische tank gevuld met 100 L water of polymeeroplossingen. Ze maten de drie componenten van vloeistofsnelheid in een centraal vlak dat door de as van de tank ging met behulp van een stereoscopisch deeltjesbeeldsnelheidsmeting (PIV) -systeem. Volgens de metingen, de stroming nabij het midden van de tank was bijna homogeen en isotroop voor zowel stromingen met water als met verdunde oplossingen van langketenige polymeren in water. De wetenschappers gebruikten tijdens de experimenten polyacrylamide (PAM) voor de polymeren. Het team noteerde een Reynolds-getal voor het zuivere water dat varieerde van 340 tot 350, wat wijst op een volledig ontwikkeld traagheidsbereik in turbulentie. Bij evenwicht, de polymeren bleven in de opgerolde toestand. Tijdens zwakke stroming in de oplossing, het polymeer bleef in de opgerolde toestand met een verwaarloosbaar effect op de stroming. Ter vergelijking, tijdens intense stroom, de polymeren uitgerekt om elastische energie op te slaan voor afgifte in de vloeistof. De vloeistof vertoonde vervolgens visco-elastisch gedrag. Tijdens turbulente stromingen, ze karakteriseerden de overgang met behulp van het Weissenberg-getal om de relaxatietijd van het polymeer te meten ten opzichte van de turbulentietijdschaal. Om de polymeren door de stroming te laten rekken, het Weissenberggetal moest groter zijn dan één. Tijdens de metingen, Zhang et al. alleen rekening gehouden met de interactie tussen de vloeistof en het enkele polymeer, terwijl directe polymeer-polymeer interacties worden verwaarloosd.

Het elastische bereik meten:

Om vervolgens de grens van het elastische bereik te kwantificeren, de onderzoekers pasten een analytische vorm aan van de tweede-orde longitudinale snelheidsstructuurfunctie (VSF) voor Newtoniaanse turbulentie, voorgesteld door Batchelor et al. Naarmate de polymeerconcentratie in het monster toenam, het gemeten gemiddelde kwadraat van de afgeleide van de longitudinale snelheid nam af, wat aangeeft dat de energie die op zeer kleine schaal door viscositeit wordt gedissipeerd, consistent is met eerdere experimenten en numerieke simulaties. De verminderde viskeuze dissipatie met polymeerconcentratie naast de onafhankelijkheid van de turbulentie-energieoverdrachtssnelheid op grotere schalen gaf aan dat de energieoverdrachtssnelheid in het elastische bereik niet-triviaal varieert. Het team onderzocht daarom methoden om de energieoverdrachtssnelheid te verkrijgen met een opstelling die stapsgewijs meer energie in de elastische energie van het polymeer trok als gevolg van interacties tussen turbulente wervelingen en polymeerelasticiteit.

De cross-over schalen.

Zhang et al. identificeerde vervolgens het elastische bereik en onderzocht de crossover-schaal tussen het elastische bereik en het dissipatiebereik (genaamd a1), gevolgd door de crossover-schaal tussen het elastische bereik en het traagheidsbereik (genaamd a2). Vervolgens bestudeerden ze hoe de twee crossover-schalen varieerden met controleparameters. De crossover-schaal tussen het elastische bereik en het dissipatiebereik leek iets af te nemen met de polymeerconcentratie; echter, het team schreef dit toe aan waarschijnlijke besmetting als gevolg van een slechte ruimtelijke resolutie van de snelheidsmetingen van het deeltjesbeeld. De wetenschappers corrigeerden vervolgens de waargenomen onnauwkeurigheid als functie van de polymeerconcentratie en toonden aan dat voor kleine polymeerconcentraties, de crossover-schaal tussen het elastische bereik en het traagheidsbereik was erg klein.

Het team onderzocht ook het probleem van turbulentiestroom om de hoge-orde snelheidsstructuurfunctie (VSF) op het inertiële bereik te schalen met water en polymeeradditieven. De resulterende overeenkomsten in gedrag lieten zien hoe het elastische bereik van de energieoverdracht door schalen werd veranderd door polymeren. Het team verwacht gemeenschappelijke kenmerken te zien tussen de Newtoniaanse turbulentie en polymere turbulentie. De resultaten toonden een uitstekende overeenkomst tussen de gegevens en de voorspelling om te laten zien hoe de energieoverdracht aanzienlijk werd veranderd door polymeren in het elastische bereik. Ondertussen volgde de fluctuerende lokale energieoverdracht vergelijkbare statistische beschrijvingen als die van Newtoniaanse turbulentie.

Outlook

Op deze manier, Yi-Bao Zhang en collega's observeerden experimenteel de schaal van het elastische bereik in de turbulente stroming met polymeeradditieven. Ze maten de turbulente kinetische energieoverdracht in aanwezigheid van polymeeradditieven. Naarmate de energiestroom door de turbulente stroming afnam, de energieflux door de elastische vrijheidsgraad van polymeren nam toe. De studie wierp nieuw licht om verder theoretisch en numeriek onderzoek te doen naar de interactie tussen de elasticiteit van polymeeradditieven en turbulente wervelingen. Deze experimentele processen kunnen in de praktijk worden opgemerkt binnen fysieke mechanismen zoals elektromagnetische interacties in plasma's en Alfvén-golven in supervloeistoffen.

© 2021 Science X Network