Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Eksperimentel observation af skalering af det elastiske område i turbulent flow med polymeradditiver

Fysisk billede af den turbulente energikaskade og dens manifestation på andenordens longitudinelle hastighedsstrukturfunktion (VSF). (A og B) Tegnefilm, der viser det fysiske billede af energikaskaden i turbulent strøm af rent vand og fortyndet polymeropløsning. (C og D) Andenordens langsgående VSF i turbulent strøm af rent vandkammer og fortyndet polymeropløsningskasse. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abd3525

Når langkædede fleksible polymerer opløses i en turbulent strømning, flowegenskaberne kan ændres drastisk ved at reducere luftmodstanden og forbedre blandingen. En grundlæggende gåde inden for materialevidenskab er at forstå, hvordan disse polymertilsætningsstoffer interagerer med forskellige rumlige skalaer i turbulent strømning for at ændre turbulensens energioverførsel. I en ny rapport nu på Videnskabens fremskridt , Yi-Bao Zhang og et forskerhold viste, hvordan turbulent kinetisk energi kunne overføres på tværs af forskellige skalaer i nærvær af polymeradditiver. Holdet bemærkede fremkomsten af ​​et tidligere uidentificeret skaleringsområde kendt som det elastiske område, hvor en øget mængde energi kunne overføres af polymerernes elasticitet. Resultaterne har vigtige anvendelser på tværs af mange turbulente systemer, herunder turbulens i plasmaer eller supervæsker.

Strømningsegenskaber og hastighedsstrukturfunktion (VSF)

Materialeforskere har vist, hvordan opløsning af en lille mængde fleksibel polymer med lang kæde i en væske kan ændre strømningsegenskaberne. Reynolds tal hjælper med at forudsige strømningsmønstre under forskellige væskestrømningssituationer. Ved lave Reynolds, normal væskestrøm er stabil og laminær, og tilsætning af polymerer kan inducere stærke udsving for at skabe elastisk turbulens. Turbulente strømninger med højt Reynolds antal kan resultere i væsentlig reduktion af modstand og forbedring eller reduktion af konvektiv varmeoverførsel. Forskere sigter mod at forstå samspillet mellem polymerer og turbulenskaskaden af ​​teoretiske årsager og praktiske anvendelser. Det er i øjeblikket kritisk at måle energispektrene eller hastighedsstrukturfunktionen (VSF) i turbulente strømninger med polymeradditiver. I denne rapport, Zhang et al. detaljerede en eksperimentel observation af det nye elastiske område i et laboratorium turbulent flow setup og målte skalering af hastighedsstrukturfunktionen i det nye elastiske område, som afveg fra enhver eksisterende teori.

Andenordens langsgående VSF'er [S2(r)] for rent vand og fortyndede polymeropløsninger ved Rλ=530. (A) S2(r) og r er normaliseret med u2η og η, henholdsvis. Her, Rλ, η, og uη er fra rent vandkassen. De fuldt optrukne kurver passer til parametreringsfunktionen (lign. 2). For klarhedens skyld, lavere ϕ-data er blevet flyttet opad med 100,15 i forhold til dens højere ϕ-nabo. (B) De samme data som i (A), men S2, p (r) kompenseres af skalering af elastisk område r1.38. For klarhedens skyld, hvert datasæt er blevet rykket op med 0,25 i forhold til dets højere ϕ-nabo. De cyan og magenta pentakler viser krydsningsskalaerne a1 mellem dissipationen og de elastiske områder og a2 mellem de elastiske og inertiområderne, henholdsvis. (C) De samme data som i (A), men S2, p(r) kompenseres med sin nøjagtige form i det elastiske område givet ved parameteriseringen:s2xxa0.621r1.38, og r er normaliseret med a2. Den solide kurve er (r/a2) −0,71. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abd3525

Den eksperimentelle opsætning

Forskerne genererede den turbulente strøm i et von Kármán hvirvlende apparat indeholdende to modsat roterende skiver indesluttet i en cylindrisk tank fyldt med 100 L vand eller polymeropløsninger. De målte de tre komponenter af væskehastighed i en central plan, der passerede gennem tankens akse ved hjælp af et stereoskopisk partikelbilledhastighedssystem (PIV). Ifølge målingerne, strømmen nær midten af ​​tanken var næsten homogen og isotropisk for både strømninger med vand og med fortyndede opløsninger af langkædede polymerer i vand. Forskerne brugte polyacrylamid (PAM) til polymererne under eksperimenterne. Holdet noterede et Reynolds -nummer for det rene vand fra 340 til 350, indikerer et fuldt udviklet inertiområde i turbulens. Ved ligevægt, polymererne forblev i den oprullede tilstand. Under svag strømning i opløsningen, polymeren forblev i den oprullede tilstand med ubetydelig effekt på flowet. Forholdsvis, under intens flow, polymererne strakt for at lagre elastisk energi til frigivelse i væsken. Væsken udviste derefter viskoelastisk adfærd. Under turbulente strømme, de karakteriserede overgangen ved at bruge Weissenberg-tallet til at måle polymerrelaksationstiden i forhold til turbulenstidsskalaen. For at polymererne skal strækkes af strømmen, Weissenberg -tallet måtte være større end enhed. Under målingerne, Zhang et al. kun betragtet interaktionen mellem væsken og enkelt polymer, mens direkte polymer-polymer-interaktioner ignoreres.

Den lokale turbulens kinetiske energioverførselshastighed bestemt ud fra tredje-ordens langsgående VSF. Kompenseret tredjeordens langsgående VSF −54S3(r)/r=ε(r) som funktion af r/η for rent vandtilfælde og polymeropløsningstilfældene ved Rλ =480. De sorte pentakler viser krydsningsskalaen a2 mellem elastikken og inertiintervallerne. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abd3525

Måling af det elastiske område

For derefter at kvantificere grænsen for det elastiske område, forskerne tilpassede en analyseform af andenordens langsgående hastighedsstrukturfunktion (VSF) til Newtonsk turbulens foreslået af Batchelor et al. Efterhånden som polymerkoncentrationen i prøven steg, det målte middelkvadrat af den afledte af den langsgående hastighed faldt, hvilket indikerer, at den energi, der spredes af viskositet i meget små skalaer - i overensstemmelse med tidligere eksperimenter og numeriske simuleringer. Den nedsatte viskøse dissipation med polymerkoncentration sammen med uafhængigheden af ​​turbulensenergioverførselshastigheden ved større skalaer indikerede, at energioverførselshastigheden i det elastiske område varierede ikke-trivielt. Holdet undersøgte derfor derefter metoder til at opnå energioverførselshastigheden med en opsætning, der trak trinvist mere energi ind i polymerens elastiske energi på grund af interaktioner mellem turbulente hvirvler og polymerelasticitet.

Crossover-vægten.

Zhang et al. identificerede derefter det elastiske område og undersøgte crossover-skalaen mellem det elastiske område og dissipationsområdet (benævnt a1), efterfulgt af crossover -skalaen mellem det elastiske område og inertiområdet (betegnet a2). De undersøgte derefter, hvordan de to crossover-skalaer varierede med kontrolparametre. Overkrydsningsskalaen mellem det elastiske område og dissipationsområdet syntes at falde lidt med polymerkoncentrationen; imidlertid, holdet krediterede dette til sandsynlig forurening på grund af dårlig rumlig opløsning af partikelbilledets hastighedsmålinger. Forskerne korrigerede derefter den observerede unøjagtighed som en funktion af polymerkoncentrationen og viste, at for små polymerkoncentrationer, crossover-skalaen mellem det elastiske område og inertiområdet var meget lille.

Variationen af ​​crossover skalaer a1 mellem dissipationen og de elastiske områder og a2 mellem de elastiske og inertiområderne. a1 og a2 som funktioner af ϕ for fire forskellige Rλ. Her, a1 og a2 normaliseres med η fra rentvandskassen. a1 ved lavere koncentration fra tidligere eksperimenter [Rλ =270, 340, 360 data fra og Rλ =350 data fra] er også plottet til sammenligning. Hældningen =0,8 lige linje skal vise, at samlet a2 skalerer med ϕ0,8, mens hældningen =0,4 lige linje er at sammenligne dataene i det lave koncentrationsområde med forudsigelsen rε ∼ ϕ0.4.

Skalering af højordenshastighedsstrukturfunktionen

Teamet undersøgte også problemet med turbulensstrømning for at skalere højordenshastighedsstrukturfunktionen (VSF) i inertialområdet med vand og polymeradditiver. De resulterende ligheder i adfærd viste, hvordan det elastiske område af energioverførslen gennem skalaer blev ændret af polymerer. Teamet forventer at observere fælles træk mellem den newtonske turbulens og polymere turbulens. Resultaterne viste fremragende overensstemmelse mellem dataene og forudsigelsen for at vise, hvordan energioverførslen blev væsentligt ændret af polymerer i det elastiske område. I mellemtiden fulgte den fluktuerende lokale energioverførsel lignende statistiske beskrivelser som for Newtonsk turbulens.

Skalering af højordens VSF i det elastiske område ved Rλ=480 og ϕ=40 ppm. (A) n. orden (n=1 til 8, fra top til bund) langsgående VSF i polymeropløsningen Sn, p(r) som en funktion af r/a2 (eller r/a1, øvre akse), området mellem de to lodrette stiplede linjer er det elastiske område, skaleringseksponenten ξp (n) fås fra power-law-tilpasningen til dette område. De absolutte værdier af hastighedsstigningerne bruges til at beregne VSF. (B) Lokal hældning d[ log (Sn, p(r))]/d[ log (r)] af Sn, p(r) for n=1 til 8 (fra bund til top) som funktion af r/a2 (eller r/a1, øvre akse). De to lodrette stiplede linjer markerer det område, hvor den lokale hældning er næsten konstant. De vandrette ubrudte linjer repræsenterer gennemsnitsværdien inden for de to stiplede linjer. (C) Elastisk områdeskaleringseksponenter ξp som funktion af n. ξp opnået fra både den direkte montering og den lokale hældning er afbildet. Inertialområdets skaleringseksponenter for rent vand ξw(n) er også plottet til sammenligning. Den stiplede linje er ξp(n) =0,7n. Den fuldt optrukne linje er K41 forudsigelsen, dvs. ξw(n) =n/3. (D) Δξ(n) =ξp(n) − ξw(n) som funktion af n. Den fuldt optrukne linie er Δξ(n) =1,1n/3.

Outlook

På denne måde Yi-Bao Zhang og kolleger observerede eksperimentelt skaleringen af ​​det elastiske område i det turbulente flow med polymeradditiver. De målte den turbulente kinetiske energioverførsel i nærvær af polymeradditiver. Efterhånden som energistrømmen gennem den turbulente strøm faldt, energifluxen gennem polymerernes elastiske frihedsgrad steg. Undersøgelsen kaster nyt lys for at foretage yderligere teoretiske og numeriske undersøgelser af samspillet mellem elasticiteten af ​​polymeradditiver og turbulente virvler. Disse eksperimentelle processer kan noteres i praksis inden for fysiske mekanismer, såsom elektromagnetiske interaktioner i plasma og Alfvén -bølger i superfluider.

© 2021 Science X Network




Varme artikler