作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 湍流能量级联的物理图象及其在二阶纵向速度结构函数上的表现(VSF)
(甲和乙)漫画显示了纯水和稀释聚合物溶液湍流中能量级联的物理图像
纯水和稀聚合物溶液湍流中的二阶纵向VSF
信用:《科学进展》，doi: 10
1126/sciadv
abd3525 当长链柔性聚合物溶解在湍流中时，可以通过减小阻力和增强混合来显著改变流动特性
材料科学中的一个基本谜题是理解这些聚合物添加剂如何在湍流中与不同的空间尺度相互作用以改变湍流能量传递
在一份关于的新报告中，易和一个研究小组展示了在聚合物添加剂存在的情况下，湍流动能是如何在不同尺度上传递的
研究小组注意到一个以前未被确定的标度范围的出现，称为弹性范围，其中增加的能量可以通过聚合物的弹性转移
这些发现在许多湍流系统中都有重要的应用，包括等离子体或超流体中的湍流
流动特性和速度结构函数(VSF) 材料科学家已经展示了在流体中溶解少量长链柔性聚合物如何改变流动特性
雷诺数有助于预测不同流体流动情况下的流动模式
在低雷诺数下，正常的流体流动是稳定的层流，聚合物的加入会引起强烈的波动，产生弹性湍流
高雷诺数湍流可导致阻力显著降低，对流传热增强或减弱
出于理论原因和实际应用，研究人员旨在了解聚合物和湍流级联之间的相互作用
目前，在含有聚合物添加剂的湍流中，全面测量能谱或速度结构函数(VSF)至关重要
在这篇报道中，张等人
在实验室湍流装置中对新的弹性范围进行了详细的实验观察，并测量了新弹性范围内速度结构函数的标度，该标度偏离了任何现有的理论
在λ=530时，纯水和稀释聚合物溶液的二阶纵向VSFs [S2(r)]
S2(r)和r分别用u2η和η归一化
这里，λ、η和uη来自纯水情况
实心曲线符合参数化函数(等式
2)
为了清楚起见，下ϕ数据向上移动了100
15相对于其更高的ϕ邻居
(二)与(一)相同的数据，但S2，p(r)由弹性范围比例r1补偿
38
为了清晰起见，每个数据集都向上移动了0
相对于它的更高的ϕ邻居
青色和品红色五角星分别显示耗散和弹性范围之间的交叉刻度a1以及弹性和惯性范围之间的交叉刻度a2
(C)与(A)中相同的数据，但S2 p(r)通过其在参数化给出的弹性范围内的精确形式进行补偿:s2xxa0
621r1
38，r由a2归一化
实线为(r/a2)0
71
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1126/sciadv
abd3525 实验装置 科学家们在冯·卡曼涡旋装置中产生湍流，该装置包含两个反向旋转的圆盘，封闭在一个装有100升水或聚合物溶液的圆柱形容器中
他们使用立体粒子图像测速系统测量了通过储罐轴线的中心平面内流体速度的三个分量
根据测量，对于有水和长链聚合物在水中的稀溶液的流动，罐中心附近的流动几乎是均匀和各向同性的
科学家在实验中使用聚丙烯酰胺作为聚合物
研究小组注意到纯水的雷诺数在340到350之间，这表明湍流中的惯性范围充分发展
在平衡状态下，聚合物保持卷曲状态
在溶液的弱流动过程中，聚合物保持卷曲状态，对流动的影响可以忽略不计
相比之下，在剧烈流动过程中，聚合物被拉伸以储存弹性能量并释放到流体中
流体随后表现出粘弹性行为
在湍流过程中，他们使用Weissenberg数来表征转变，以测量相对于湍流时间尺度的聚合物弛豫时间
对于被流动拉伸的聚合物，韦森伯数必须大于1
在测量过程中，张等人
只考虑了流体与单一聚合物之间的相互作用，而忽略了聚合物与聚合物之间的直接相互作用
由三阶纵向VSF确定的局部湍流动能转移率
在λ = 480时，纯水情况和聚合物溶液情况下，补偿三阶纵向VSF 54S 3(r)/r =ε(r)为r/η的函数
黑色五角星表示弹性范围和惯性范围之间的交叉刻度a2
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abd3525 测量弹性范围 为了量化弹性范围的边界，研究人员采用了巴彻勒等人提出的牛顿湍流的二阶纵向速度结构函数(VSF)的分析形式
随着样品中聚合物浓度的增加，测得的纵向速度导数的均方值降低，这表明粘度耗散的能量非常小，与之前的实验和数值模拟一致
较大尺度下粘性耗散随聚合物浓度的降低以及湍流能量转移速率的独立性表明，弹性范围内的能量转移速率变化不显著
因此，研究小组接下来研究了获得能量转移速率的方法，该方法的设置是，由于湍流涡旋和聚合物弹性之间的相互作用，逐渐将更多的能量引入聚合物的弹性能量中
交叉秤
张等
然后确定弹性范围并检查弹性范围和耗散范围之间的交叉标度(称为a1 ),接着是弹性范围和惯性范围之间的交叉标度(称为a2)
然后，他们研究了两个交叉尺度如何随控制参数而变化
随着聚合物浓度的增加，弹性范围和耗散范围之间的交叉尺度似乎略有减小；然而，研究小组认为这可能是由于粒子图像测速测量的空间分辨率低造成的污染
科学家随后根据聚合物浓度修正了观察到的不准确性，并表明对于小的聚合物浓度，弹性范围和惯性范围之间的交叉比例非常小
耗散范围和弹性范围之间以及弹性范围和惯性范围之间的交叉标度a1的变化
a1和a2作为四个不同λ的ϕ函数
这里，a1和a2由来自纯水情况的η归一化
还绘制了先前实验中较低浓度下的a1[来自的λ = 270，340，360数据和来自的λ = 350数据]进行比较
斜率= 0
8直线是为了显示总体a2与ϕ0成比例
8，而斜率= 0
4直线是将低浓度范围内的数据与预测值ε∞ϕ0进行比较
四
高阶速度结构函数的标度 该小组还研究了湍流问题，以在含有水和聚合物添加剂的惯性范围内缩放高阶速度结构函数(VSF)
由此产生的行为上的相似性表明了通过鳞片传递的能量的弹性范围是如何被聚合物改变的
该团队希望观察牛顿湍流和聚合物湍流之间的共同特征
结果显示数据和预测之间非常一致，以显示弹性范围内的聚合物如何显著改变能量转移
同时，波动的局部能量转移遵循与牛顿湍流相似的统计描述
Rλ=480和ϕ=40 ppm时弹性范围内高阶VSF的标度
(A)聚合物溶液Sn中的第n阶(n=1至8，从上到下)纵向VSF，p(r)作为r/a2(或r/a1，上轴)的函数，两个垂直虚线之间的范围是弹性范围，标度指数ξp(n)从幂律拟合到该范围获得
速度增量的绝对值用于计算VSF
(B)n = 1至8(自下而上)时Sn，p(r)的局部斜率d[ log (Sn，p(r))]/d[ log (r)]，作为r/a2(或r/a1，上轴)的函数
两条垂直虚线标记了局部斜率几乎恒定的区域
水平实线代表两条虚线内的平均值
作为n的函数的弹性范围标度指数
绘制了从直接拟合和局部斜率获得的ξp
还绘制了纯水ξw(n)的惯性范围标度指数以供比较
虚线是ξp(n) = 0
7n
实线是K41预测，I
e
，ξw(n) = n/3
(D)δξ(n)=ξp(n)ξw(n)作为n的函数
实线是δξ(n)= 1
1n/3
前景 通过这种方式，易和他的同事们实验性地观察到了聚合物添加剂在湍流中弹性范围的缩放
他们测量了聚合物添加剂存在下的湍流动能转移
随着通过湍流的能量通量减少，通过聚合物弹性自由度的能量通量增加
该研究为聚合物添加剂的弹性与湍流涡旋之间的相互作用的进一步理论和数值研究提供了新的线索
这些实验过程实际上可以在物理机制中发现，例如等离子体中的电磁相互作用和超流体中的阿尔芬波
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