Universal mean velocity profile in polymeric flows at maximum drag reduction
研究利用直接数值模拟揭示最大减阻状态下壁面法向动能通量受抑、聚合物维持速度脉动的机制，并推导与实验相符、不依赖壁面湍流特征量的通用平均速度剖面。
2025-03-17 physics.flu-dyn
Turbulent Drag Reduction of polyelectrolyte (DNA) solutions: relation with the elongational viscosity
我们报告测量湍流阻力减少两种不同的水溶液：DNA和水解聚丙烯酰胺。改变溶液中的盐浓度使我们能够改变聚合物链的柔性。对于这两种聚合物的减阻量被发现增加的灵活性。流变学研究表明，溶液的拉伸粘度同时增加。因此，我们得出结论，拉伸粘度是相关的宏观量来描述聚合物的能力，导致湍流减阻。
2003-07-23 physics.flu-dyn
Statistics and spectral analysis of turbulent duct flows with flexible and rigid polymer solutions
我们提出了一个实验研究的湍流减阻与柔性和刚性聚合物解决方案。柔性聚合物是部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），刚性聚合物是黄原胶（XG）。实验在低减阻（$\%DR < 40$）、高减阻（$\%DR > 40$）和最大减阻（其中速度分布$U^+$大致匹配Virk渐近线）下进行。我们比较了速度剖面，流向和壁面法向雷诺应力和功率谱的流向速度波动测量激光多普勒测速仪（LDA）。我们的研究结果表明，XG和HPAM聚合物对湍流的影响是相似的，前提是雷诺数和$\%DR$也相似。在高水平的$\%DR$，XG和HPAM流的流向速度波动的功率谱密度显示在$-3$附近的幂律衰减，而不是在惯性范围内的$-5/3$。$-3$功率谱的斜率最近被解释为聚合物射流中弹性惯性湍流（EIT）的证据。在相对低的浓度下，我们观察到柔性聚合物溶液在降低阻力方面更有效，而XG仅在非常高的浓度下达到MDR。因此，我们假设，具有较高浓度的聚合物聚集体的形成有助于增加粘弹性，从而增加$\%DR$与XG和其他刚性聚合物溶液的粘弹性。
2022-10-19 physics.flu-dyn
Reynolds number dependence of drag reduction by rod-like polymers
我们目前的实验和理论结果解决雷诺数（Re）的依赖性的阻力减少足够大的浓度的棒状聚合物在湍流壁有界的流动。结果表明，当Re较小时，阻力增加{ \em}。另一方面，当Re增加时，阻力减小，并最终达到最大阻力减小（MDR）渐近线。该理论被证明是在良好的协议与实验，合理化和解释所有的普遍性和非普遍性方面的减阻棒状聚合物。
2006-07-06 nlin.CD physics.flu-dyn
Global drag reduction and local flow statistics in Taylor-Couette turbulence with dilute polymer additives
本文通过 Taylor-Couette 湍流实验研究稀聚合物减阻，发现 MDR 下减阻率仅约20%，原因是聚合物抑制湍流和近壁小尺度涡，却难以削弱主导输运的 Taylor 涡。
2024-12-05 physics.flu-dyn
Polymer drag reduction in surfactant-contaminated turbulent bubbly channel flows
聚合物添加剂通常用于在各种应用中操纵泡状流。在这里，我们调查的影响，清洁和污染的气泡驱动向上（上流）在牛顿和粘弹性湍流通道流。界面分辨的直接数值模拟进行检查的唯一和组合的可溶性表面活性剂和粘弹性的影响，使用一个有效的三维有限差分/前跟踪方法。不可压缩流方程求解完全耦合的FENE-P粘弹性模型和控制界面和本体表面活性剂浓度的方程。后一种耦合是通过将表面张力与表面活性剂浓度相关联的非线性状态方程来实现的。对于牛顿型湍流泡状流，考察了Triton X-100和1-戊醇表面活性剂的影响。据观察，吸附动力学高度影响泡状流的动力学。发现微量的Triton X-100足以防止气泡簇的形成，恢复单相行为，而甚至两个数量级以上的1-戊醇表面活性剂不足以防止层的形成。对于粘弹性湍流，粘弹性促进了泡壁层的形成，因此对于无表面活性剂的泡状流，聚合物的减阻作用完全丧失，而对于$Wi=4$，加入少量的表面活性剂（Triton X-100）可以恢复聚合物的减阻作用，导致$25\%$的减阻。
2021-10-14 physics.flu-dyn
Drag reduction by polymer additives from turbulent spectra
本文推广了G. Gioia，P. Chakraborty和N. Goldenfeld（GCG）（G. Gioia和P.Chakraborty，Phys.Rev.Lett. 96，044502（2006），N. Goldenfeld，Phys. Rev. Lett. 96，044503（2006））到通过聚合物添加剂降低阻力的情况。
2010-11-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Enhancement of drag and mixing in a dilute solution of rodlike polymers at low Reynolds numbers
通过对一个简单流变模型的数值模拟，研究了刚性棒状聚合物稀溶液在低雷诺数粘性流体中的动力学行为。我们发现，聚合物的旋转动力学的不稳定的层流，并导致出现一个顺从的混沌流与广泛的活动规模。这种状态显示出增加的流动阻力，对应于在固定的外部强迫下减少的平均流量，以及增加的混合效率。后一种效应通过测量由流传输的标量场的方差的衰减来量化。通过比较二维和三维模型的数值模拟结果，我们表明，所观察到的现象是定性独立的空间的维数。
2021-12-29 physics.flu-dyn
Additive Equivalence in Turbulent Drag Reduction by Flexible and Rodlike Polymers
我们解决的“添加剂等效性”发现的Virk和同事：阻力减少的影响，灵活和刚性棒状聚合物添加到湍流壁有界的流动是有限的，从上面一个非常相似的最大阻力减少（MDR）渐近线。考虑到棒状聚合物在壁有界湍流合奏的运动方程，我们表明，虽然微观机制实现MDR是非常不同的，宏观理论是同构的，合理化有趣的实验观察。
2005-01-13 nlin.CD physics.flu-dyn
Saturation of Turbulent Drag Reduction in Dilute Polymer Solutions
聚合物在湍流附壁流动中的减阻表现出普遍性和非普遍性。最大平均速度分布的普遍性在最近的理论中得到了解释。该分布的饱和度和返回牛顿塞的交叉是非通用的，取决于雷诺数Re、聚合物$c_p$的浓度和聚合度$N_p$。我们解释的机制，饱和源于聚合物的可延伸性的有限性，预测其依赖于$c_p$和$N$在小$c_p$和大Re的限制，并提出了我们的预测的DNA减阻实验的优秀比较。
2004-02-17 nlin.CD physics.flu-dyn
Near-wall lubricating layer in drag-reduced flows of rigid polymers
目前关于聚合物减阻机理的理论一般适用于形成粘弹性溶液的长链柔性聚合物。产生DR的刚性聚合物溶液似乎缺乏普遍的粘弹性特征。然而，它们确实表现出更大的粘度和明显的剪切变稀趋势，很好地近似于广义牛顿模型。下面的实验研究仔细检查了在湍流通道流中黄原胶水溶液的流动统计，摩擦雷诺数（$Re_τ$）在160和680之间。DR的量在28%和33%之间变化不显著。用平面粒子图像测速仪测量了速度场，用扭转流变仪测量了稳态剪切流变学。结果用于表征聚合物减阻流在不同$Re_τ$下的流量统计，DR的变化可忽略不计;以前仅通过数值模拟考虑的参数研究。随着$Re_τ$的增加，平均速度和雷诺应力分布的变化与牛顿湍流中观察到的变化相似。具体而言，内归一化的平均速度分布重叠不同的$Re_τ$和雷诺应力单调增长的幅度与增加$Re_τ$。相对于壁的正常位置的平均粘度的配置文件证明了一个薄层，由一个低粘度的流体在壁的附近。该薄层外部的流体具有显著更大的粘度。我们推测，在剪切粘度之间的分界线的内部“润滑”层和外层培养的缓冲层中的流体滑移和向上移动的对数层;一个假设类似于DR使用壁润滑和超疏水表面。
2021-11-02 physics.flu-dyn
Drag Reduction in Homogeneous Turbulence by Scale-Dependent Effective Viscosity
在非牛顿流体力学模型的基础上，通过模拟研究了聚合物添加剂的减阻现象，该模型考虑了聚合物延伸场（构象张量）及其与速度场的相互作用。在均质和壁面有界湍流中都发现了阻力减小。在后一种情况下，它是最近示出的尺度相关的有效粘度的概念，允许定量预测的特性与实验密切对应的减阻。在本文中，我们表明，也阻力减少均匀湍流中的尺度依赖性粘度方面进行了有益的讨论。换句话说，所研究的现象的本质可以通过单独的速度场的“等效”运动方程来重新捕获，其中明智地选择了尺度相关的有效粘度，该粘度简洁地总结了聚合物构象张量场和速度场之间相互作用的重要方面。我们也将在这里阐明均匀流动和有壁流动中减阻的区别.
2004-02-19 physics.flu-dyn
Colloquium: Theory of Drag Reduction by Polymers in Wall Bounded Turbulence
流体在通道、管道或导管中的流动，就像在任何其他有壁面的流动中一样（如沿着船体的水或飞机上的空气），会受到阻力的阻碍，当流体从层流变成湍流时，阻力会增加许多倍。一个主要的技术问题是如何减少这种阻力，以最大限度地减少在管道中运输石油等流体或在海洋中移动船舶的费用。在二十世纪中期发现，聚合物的微小浓度可以将湍流中的阻力降低高达80%。虽然多年来积累了实验知识，但聚合物减阻的基本理论在很长一段时间内仍然难以捉摸，争论激烈，这是“皮肤”还是“体积”效应。在这次座谈会回顾中，我们首先总结了聚合物减阻的现象，强调其普遍和非普遍的方面，然后继续审查最近的理论，提供了一个定量的解释所有已知的现象。我们治疗灵活和棒状聚合物，解释存在的普遍属性，如最大减阻（MDR）渐近线，以及非普遍的交叉现象，取决于雷诺数，聚合物的性质和其浓度。最后，我们还讨论了其他减阻剂，重点是气泡的重要例子。
2007-02-15 nlin.CD physics.flu-dyn
Active and hibernating turbulence in minimal channel flow of Newtonian and polymeric fluids
在最小流动几何形状下模拟了减阻聚合物溶液的湍流通道流动。即使在牛顿极限，我们发现的“冬眠”湍流的时间间隔，显示许多功能的通用最大减阻（MDR）渐近线观察到的聚合物溶液：弱流向涡，几乎不存在的流向变化和平均速度梯度，定量匹配实验。随着粘弹性的增加，这些间隔的频率也增加，而间隔本身不变，导致流动越来越像MDR。
2010-04-28 physics.flu-dyn
Manifestations of Drag Reduction by Polymer Additives in Decaying, Homogeneous, Isotropic Turbulence
对于壁面有界的湍流来说，聚合物添加剂的减阻作用的存在是有争议的。为了解决这一争议，我们进行了一个高分辨率的直接数值模拟（DNS）的衰减，均匀，各向同性湍流与聚合物添加剂。我们的研究揭示了明确的表现形式的减阻型现象：在添加聚合物的湍流流体中，我们得到的能量耗散率的减少，流体能谱的显着修改，特别是在深耗散范围内，抑制小规模的不稳定性，并减少小规模的涡丝。
2006-09-27 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
Beyond the maximum drag reduction asymptote: the pseudo-laminar state
最近的实验表明，聚合物可以减少湍流阻力超过渐近极限称为MDR，导致一个层流。在这封信中，我们通过直接数值模拟表明，当MDR被超过时，流动可以在很长一段时间内保持在层流状态，而不是真正的层流。在称为伪层流状态的这段时间内，观察到瞬态行为，这是注入流中的聚合物能量的小速率的结果。随后，流动不稳定性在通道中发展，最终触发弹性惯性湍流。
2019-11-01 physics.flu-dyn
Nonasymptotic elastoinertial turbulence for asymptotic drag reduction
聚合物诱导减阻受到最大减阻（MDR）的渐近极限的限制。几十年来，研究人员一直认为MDR反映了聚合物不会进一步改变的最终流动状态的收敛。我们的模拟表明，随着减阻收敛到其不变极限，底层动力学继续发展，没有收敛的迹象。渐近减阻的阶段不是由任何单一的流动状态表示的，而是包括具有不同动力学模式的状态，所有这些状态都部分地由聚合物弹性维持。
2021-01-23 nlin.CD physics.flu-dyn
Drag Reduction by Polymer Additives in Decaying Turbulence
我们提出的结果，从一个系统的数值研究的衰减湍流在稀聚合物溶液中使用壳模型版本的FENE-P方程。我们的研究导致一个有吸引力的定义的情况下衰减湍流的阻力减少。我们展示了几个新的结果，如聚合物的势能谱，迄今未观察到的功能的动力学能谱的时间演化，并在这样的系统中的特征不稳定性。我们比较我们的结果与GOY壳模型的流体湍流。
2005-05-12 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
A mathematical model of turbulent drag reduction by high-molecular-weight polymeric additives in a shear flow
通过添加微量（百万分之几）的高分子量聚合物（汤姆斯效应），在固定压降下降低阻力，或者同样地，在湍流中增加平均速度，这一点已经为人们所知六十多年了。很久以前，人们就认识到这种效应与流体中形成的超分子结构有关。最近的实验S。Chu，E.S.G. Shaqfeh和他们的同事，其中超分子结构的运动被直接观察到，使得有可能理解和量化聚合物结构与溶剂（水）流的动态相互作用。根据Kolmogorov（1942）-Prandtl（1945）剪切流湍流的半经验理论，这些结果导致了汤姆斯效应的数学模型的建立。
2008-05-01 physics.class-ph physics.flu-dyn
Vortex dynamics in low- and high-extent polymer drag reduction regimes revealed by vortex tracking and conformation analysis
已知湍流轮廓在低程度减阻（LDR）和高程度减阻（HDR）状态之间变化。然而，直到最近，LDR-HDR转变才被认为是两种DR机制之间的根本变化。虽然DR的开始，启动LDR阶段，是可以解释的聚合物抑制涡流的一般参数，发生HDR的流量统计是定性不同的，DR效应在更广泛的范围内观察到的壁区域仍然无法解释。最近发展的迭代传播算法的涡轴跟踪允许检测和提取具有各种取向和曲率的涡轴线。在这项研究中，使用这种新的工具来分析整个LDR-HDR过渡的涡旋构象和动力学。聚合物的影响集中在部分或完全附着在墙上的漩涡。在LDR中，这种效应是涡旋的全面减弱，从而降低了其强度，而不会改变其分布模式。在HDR中，聚合物开始抑制缓冲层中流向涡的提升，并防止其下游头部上升到对数律层中并形成发夹和其他弯曲涡。这中断了缓冲层和对数律层之间的湍流动量传递，这为解释HDR处不同的平均流剖面提供了一条清晰的途径。这项研究描绘了第一个清晰的物理图片关于变化的涡旋动力学之间的LDR和HDR，这是基于直接的证据，从客观的统计分析的涡旋形态和分布。
2019-12-03 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction by polymer additives: Fundamentals and recent advances
少量的聚合物添加剂可以使湍流的能量耗散和摩擦损失大幅降低。聚合物减阻问题自发现以来的七十多年里一直受到人们的关注。然而，在过去的十年中，研究范式和视角的变化引发了一波新的进展。这篇评论试图把所有级别的研究人员，从初学者到专家，这一领域的最前沿。它从基础知识和经典发现和理论的全面覆盖开始。然后，它强调了最近的几项发展，为长期存在的问题带来了新的见解。开放的问题和正在进行的辩论也进行了讨论。
2019-12-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dynamics of viscoelastic pipe flow in the maximum drag reduction limit
聚合物添加剂可以显著降低湍流的阻力，并且所谓的“最大减阻”（MDR）渐近线的上限是通用的，即与所使用的聚合物和溶剂的类型无关。直到最近，人们的共识是，在这种极限下，流动处于一种边缘状态，只有最低水平的湍流活动持续存在。在直接数值模拟中使用最小尺寸的通道的观察似乎支持这一观点，并报告了长期的“冬眠”期，湍流被边缘化。在模拟管流，我们发现，事实上，随着韦森伯格数（Wi）的增加，湍流表示长时间的冬眠，如果域的大小是小的。然而，随着管道长度的增加，时间的冬眠不断改变时空的不稳定性，在这里的流动由湍流喷流包围的层流。此外，当Wi增加时，流动完全重新分层，与最近的实验一致。在甚至更大的Wi下，遇到不同的不稳定性，导致朝向MDR的阻力增加。因此，我们的研究结果链接早期最小流动单元模拟与最近的实验，并确认，聚合物的加入最初抑制牛顿湍流，并导致反向过渡。另一方面，MDR状态由单独的不稳定性产生，并且基本动力学对应于最近提出的弹性惯性湍流（EIT）状态。
2018-08-13 physics.flu-dyn
On the underlying drag-reduction mechanisms of flow-control strategies in a transitional channel flow: temporal approach
采用直接数值模拟的方法，在摩擦雷诺数为65 ~ 85的范围内，研究了三种不同的流动控制策略对槽道流动减阻效果的影响机理。这些策略包括添加长链聚合物、引入滑动表面和施加外部体积力。虽然人们认为这种方法通过控制近壁流动结构来减少表面摩擦，但起作用的基本机制仍然不清楚。在这项研究中，一个时间的分析，阐明这些方法之间的减阻机制。该分析是基于由最小湍流通道流的活动和休眠阶段表示的间歇阶段的寿命（Xi & Graham，Phy. Rev. Lett. 2010年）。在相同减阻量下，聚合物法和滑移法显示出相似的减阻机理，而体积力法则不同。聚合物和滑动表面导致冬眠阶段更频繁地发生，而活动阶段的持续时间减少。然而，体积力导致冬眠阶段发生的频率较低，但延长其持续时间，以实现相当数量的减阻。体积力法背后的一个可能机制与其在壁面附近形成的独特的辊状旋涡结构有关。这些结构似乎可以防止内部和外部区域之间的相互作用，从而延长冬眠阶段。它应该激励自适应流动控制策略，以利用不同的基本机制，在低雷诺数的湍流阻力鲁棒控制。
2021-10-25 physics.flu-dyn
Two-dimensional dynamics of elasto-inertial turbulence and its role in polymer drag reduction
本研究的目标是：（i）证明弹性惯性湍流（EIT）中的弹性惯性不稳定性的二维性质，（ii）确定三维EIT流中的二维不稳定性的作用，（iii）建立小弹性尺度在自持EIT机制中的作用。在二维和三维通道中进行FENE-P流体流动的直接数值模拟。雷诺数设置为$\mathrm{Re}_τ= 85$，对于2D流动，该数值为亚临界，但对于3D流动，该数值超过过渡。聚合物的性质对应于那些典型的稀聚合物溶液和两个中等的Weissenberg数，$\mathrm{Wi}_τ= 40, 100$，被认为是。模拟结果表明，在二维亚临界流动中可以观察到持续的湍流，证实了二维弹性惯性不稳定性的存在。在牛顿和弹性惯性湍流结构共存的3D模拟中也观察到相同类型的不稳定性。取决于Wi数，一种类型的结构可以主导并驱动流动。对于大的Wi值，弹性惯性不稳定性往往占上风的牛顿湍流。这一说法得到以下事实的支持：（i）不存在典型的牛顿近壁涡;（ii）当考虑较大的Wi数时，二维和三维流动之间有很强的相似性。通过在高分子双曲型输运方程中引入全局人工扩散，研究了弹性小尺度的作用。研究结果表明，在系统中引入大的聚合物扩散强烈阻尼的重要部分的弹性尺度，这是必要的饲料湍流，最终导致流动层流。足够高的施密特数是允许自持湍流稳定所必需的。
2017-10-03 physics.flu-dyn
Boundary conditions and polymeric drag reduction for the Navier-Stokes equations
减小管槽湍流的壁面阻力是一个具有重要实际意义的问题。在工程应用中，末端官能化的聚合物链通常用作减阻剂。这些是漂浮在溶剂中的聚合物，并且在其链端之一处附着（通过吸附或通过不可逆的化学结合）到基底（壁）。我们提出了一个PDE模型来研究这种设置在简单的设置，其中溶剂是一个粘性不可压缩的Navier-Stokes流体占据了大部分的光滑域$Ω\subset \mathbb{R}^d$，和壁接枝聚合物是在所谓的蘑菇制度（典型的聚合物长度的顺序上的聚合物间的间距）。聚合物的微观描述通过流体的壁切向应力上的动态边界条件进入流体运动的宏观描述，这类似于（但不同于）依赖于历史的滑移长度。我们建立了二维空间中强解的整体适定性，并证明了强Euler解的无粘极限以速率成立。壁面摩擦系数$\langle f\rangle$和总能量耗散$\langle \varepsilon\rangle$与雷诺数$Re$成反比。该比例对应于层流摩擦系数$\langle f\rangle \sim1/ Re$的Poiffille定律，从而量化了我们设置中的减阻。这些结果与没有聚合物添加剂的物理边界的结果形成鲜明对比，无滑动条件，其中即使在二维中也没有这样的结果是通常已知的。
2021-06-04 math-ph math.AP math.MP
Re-picturing viscoelastic drag-reducing turbulence by introducing dynamics of elasto-inertial turbulence
近年来，粘弹性减阻湍流（DRT）的本质，特别是最大减阻（MDR）状态，成为人们争论的焦点。它一直被认为是聚合物调制的惯性湍流（IT），但最近提出的概念的弹性惯性湍流（EIT）的挑战。本文通过对平行平板通道中从DR开始到EIT的一系列流型的统计和预算分析，引入EIT动力学，重新描绘了平行平板通道中的DRT。在此基础上，提出了一种新的DRT能量自维持过程（SSP）。数值结果表明，在低雷诺数（Re）下，随着弹性系数的增加，EIT相关SSP形成前，流动进入层流状态;而在中等雷诺数下，EIT相关SSP可以参与并从再层化中幸存下来。这在某种程度上解释了为什么在小Re下观察到再层化，而在中等Re下流动直接进入MDR和EIT。此外，提出的能量图像，可以很好地解释新发现的现象，流向的速度脉动滞后于壁法线方向。重新描绘的SSP当然证明，随着弹性的增加，IT性质逐渐被DRT中的EIT性质所取代。
2021-08-10 physics.flu-dyn
Drag Reduction by Polymers in Turbulent Channel Flows: Energy Redistribution Between Invariant Empirical Modes
本文采用粘弹流体FENE-P模型的直接数值模拟（DNS）方法，研究了稀聚合物添加剂对湍流的减阻作用。已经充分证明了这些模型方程再现了这一现象，但DNS的结果到目前为止还没有进行分析，目的是解释这一现象。为了建立一个有用的框架，了解减阻，我们开始在本文中的调查中最重要的模式，分别在粘弹性和牛顿湍流。经验获得的模式，使用Karhunen-Loeve分解，使我们能够比较最具活力的模式中的粘弹性和牛顿流。本研究的主要发现是，最具活力的模式的空间分布几乎没有改变之间的两个流动。变化的是与这些模式相关的能量，以及它们的相对顺序，从最具能量到最少。在一个流中被高度激发的模式可以在另一个流中被强烈抑制，反之亦然。这种剧烈的能量重新分配是本文提出的减阻机理的重要线索。特别是有一个增强的能量包含模式的粘弹性流相比，牛顿的;减阻被认为是在能量包含模式，而不是耗散模式中提出的一些以前的理论。
2002-10-29 nlin.CD physics.flu-dyn
Drag Reduction by a Linear Viscosity Profile
湍流中聚合物的减阻引起了一个明显的矛盾：聚合物的拉伸必然会增加粘度，那么为什么会减阻呢？最近的一个理论提出，与实验一致的减阻是一致的有效粘度线性增长的距离壁。用这种自洽解，雷诺应力的减小抵消了粘性阻力的增加。在这封信中，我们表明，使用直接数值模拟，一个线性的粘度分布确实减少了阻力与理论一致，并在密切对应的FENE-P模型在相同的流动条件下的直接模拟。
2004-01-07 nlin.CD physics.flu-dyn
Substantial drag reduction in turbulent flow using liquid-infused surfaces
实验演示了如何液体注入表面可以显着减少泰勒-库埃特流的湍流阻力。测试液体是水，测试表面由尺寸为100 $μ$ m至800 $μ$ m的方形微观凹槽组成，填充有粘度为水的0.3至1.4倍的烷烃液体。我们实现了阻力减少超过35\%，四倍以上，比以前报道的液体注入表面在湍流。减阻水平随粘度比、槽宽、流体面积分数和雷诺数的增加而增加。利用$w^+ \approx 35$给出了最佳槽宽。
2017-06-29 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction: A universal perspective from energy fluxes
在湍流中注入稀聚合物可抑制摩擦阻力。由于流动的复杂性，这个具有挑战性和技术重要性的问题仍然没有得到解决。减阻的一个重要因素是从速度场到聚合物的能量传递。在本文中，我们量化这个过程中使用的能量通量，以及显示其在不同的流量，如磁流体力学，准静态磁流体力学，和气泡湍流的普遍性。我们表明，在这样的流动中，从动能到弹性能量的转移导致减少动能通量相比，相应的流体动力学湍流。这导致速度场的非线性降低，从而导致更有序的流动和湍流阻力的抑制。
2019-04-25 nlin.CD physics.flu-dyn
Drag enhancement and drag reduction in viscoelastic flow
无惯性的聚合物流体的蠕变流动表现出弹性不稳定性和弹性湍流，并伴随着由于流动拉伸的聚合物产生的弹性应力引起的阻力增强。然而，在高$\mbox{Re}$和低流体弹性$El$的惯性主导流动中，湍流摩擦阻力的减小是由惯性应力和弹性应力之间的复杂竞争引起的。在这里，我们探讨了在广泛的控制参数$El$和$(\mbox{Re}, \mbox{Wi})$的惯性对粘弹性流动的稳定性的影响。我们给出了在$\mbox{Wi}-\mbox{Re}$坐标系下观测到的流态的稳定性图，发现不稳定性的起始点意外地显示出对$El$的非单调依赖性。此外，基于$El$来识别图中的三个不同区域。引人注目的是，对于高弹性流体，我们发现了一个完整的relaminarization流在雷诺数的顺序的团结，从一个众所周知的湍流减阻不同。这些违反直觉的效果可以解释为有限的聚合物的可延展性和在高$\mbox{Wi}$的涡度抑制。我们的研究结果需要进一步的理论和数值发展，以揭示在粘弹性流动中的弹性湍流的惯性效应的作用。
2018-09-11 cond-mat.soft physics.app-ph physics.flu-dyn
Turbulent Drag Reduction in Magnetohydrodynamic Turbulence and Dynamo from Energy Flux Perspectives
在这篇综述中，我们描述了湍流减阻在各种流动中使用的通用框架的能量通量。在具有稀聚合物和磁场的湍流中，在大尺度下注入的动能级联到中间尺度下的速度场，以及级联到所有尺度下的聚合物和磁场。因此，与纯流体动力学湍流相比，动能通量$ Π_u(k) $被抑制。我们认为，抑制$Π_u(k)$是一个重要因素，在减少的惯性力$\langle {\bf u \cdot \nabla u} \rangle$和\textit{turbulent drag}。在聚合物、磁流体动力学、准静态磁流体动力学、稳定分层湍流和发电机中观察到湍流减阻的这种特征。此外，它表明，湍流减阻热对流是由于光滑的热板，类似的湍流减阻的钝体。在所有这些流动中，湍流减阻常常导致流动中的强的大尺度速度。
2022-12-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbulent drag reduction of viscoelastic wormlike micellar gels
长链粘弹性表面活性剂溶液（VES）已广泛用于石油和天然气工业，特别是在水力压裂和砾石充填操作中，其中由于高泵送速率而通常达到湍流。有了这个动机，我们实验研究的湍流管道流动的一类蠕虫状胶束的解决方案，在室温下形成凝胶。流体的特征在于通过旋转流变仪，并通过激光多普勒风速仪（LDA）测量湍流速度和雷诺应力分布。三种表面活性剂浓度的研究在增加雷诺数。比较了水、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）和黄原胶（XG）半稀溶液的湍流场。我们的研究表明，蠕虫状胶束凝胶的凝胶状结构主要是在湍流过程中被打破，特别是在近壁区域的结果表明存在水层。低浓度表面活性剂下的湍流显示出贯穿大部分管道的类牛顿流场，其中能谱显示出与波数的-5/3幂律标度，而较高浓度导致大波数下的阻力减小和较低的功率谱密度。聚合物流体和蠕虫状胶束溶液在最大减阻（MDR）的流动的比较显示出可比的减阻效果，在雷诺剪切应力的大幅度降低，并增加湍流各向异性的缓冲层由于大的流向波动和近零壁正常波动。此外，MDR制度的Virk的渐近线的聚合物和胶束凝胶，这意味着一个类似的机制，在MDR减阻。
2021-10-14 physics.flu-dyn
Early turbulence in viscoelastic flow past a periodic cylinder array
本研究通过二维直接数值模拟发现，添加聚合物使流经周期性圆柱阵列的粘弹性流在极低雷诺数下发生早期转捩，揭示了由弹性力主导的混沌波动状态及阻力增强机制。
2024-10-15 physics.flu-dyn
Contrary to Newtonian trends: Early flow transition and drag enhancement at low to intermediate Reynolds number flows of structured fluids
Indian Institute of Technology Ropar（印度理工学院罗帕尔分校）
研究通过修正的 Bautista-Manero 模型对胶束溶液绕圆柱流动进行高保真数值模拟，揭示其流动动力学比牛顿流体更丰富，低雷诺数下更早转非定常流，中等雷诺数呈准周期行为且阻力反常增加。
2026-07-07 physics.flu-dyn
Experimental observation of the elastic range scaling in turbulent flow with polymer additives
溶解在湍流中的微量长链柔性聚合物可以显著改变流动性质，例如减少阻力和增强混合。一个基本的谜团是这些聚合物添加剂如何与存在于湍流中的不同空间尺度的涡流相互作用，进而改变湍流能量传递。在这里，我们展示了如何湍流动能是通过不同的尺度在聚合物添加剂的存在下转移。特别是，我们在实验中观察到一个新的缩放范围的出现，称为弹性范围，其中通过聚合物的弹性转移越来越多的能量。此外，弹性范围的存在规定了高阶速度统计的标度。我们的研究结果对许多湍流系统，如等离子体或超流体中的湍流，其中湍流涡和其他非线性物理机制之间的相互作用往往涉及到重要的影响。
2021-02-01 physics.flu-dyn
Effects of polymer additives on Rayleigh-Taylor turbulence
采用Oldrophil-B粘弹模型直接数值模拟（DNS），研究了聚合物添加剂对Rayleigh-Taylor系统湍流对流的影响。聚合物伸长的动力学遵循自相似的湍流混合层的演化，并显示出对流动的强烈反馈的出现，其引起聚合物伸长的截止。粘弹效应对流动混合特性的影响是双重的。在大尺度上混合明显增强（混合层的增长率大于纯牛顿的情况下），并在小尺度上耗尽（热羽流相对于牛顿的情况下更连贯）。观测到的热羽流的加速以及温度场和垂直速度之间的相关性的增强，有助于显著的{ \it热输送增强}。我们的研究结果与由聚合物引起的下降和上升羽流之间的{ \it减阻}的情况是一致的，并且提供了在没有边界层的情况下发生减阻的进一步证据。附录中报告了费米提出的混合层增长的弱非线性模型。
2011-01-31 nlin.CD physics.flu-dyn
On the mechanism of elasto-inertial turbulence
弹性惯性湍流是在含有聚合物添加剂的流体中发现的一种新的湍流状态。从聚合物动力学和流动结构耦合的角度研究了由这些添加剂产生和控制的湍流动力学。直接数值模拟的通道流的雷诺数范围从1000到6000（基于体积和通道高度）被用来研究弹性不稳定性的形成和动力学及其对流动的影响。由此产生的聚合物动力学和流动之间的相互作用的机制有助于解决一个长期存在的争议，在聚合物减阻的理解，并解释了早期湍流的现象，或在较低的雷诺数比牛顿流，以前观察到的聚合物流的湍流发作。聚合物还指出了一个有趣的类比，即二维湍流中的前向和后向能量级联。
2013-01-17 physics.flu-dyn
Effect of polymer additives on dynamics of water level in an open channel
本文通过数值模拟研究了聚合物添加剂对明渠水位的影响，揭示了注入点远下游水位反直觉升高的机制，并提出了一种缓解该现象的技术。
2023-07-02 physics.flu-dyn
Drag Reduction Performance of Mechanically Degraded Dilute Polyethylene Oxide Solutions
研究了聚氧化乙烯（PEO）稀溶液在湍流管流中的断链降解。通过匹配减阻条件的开始，进行了具有和不具有降解的减阻性能的比较，所述减阻条件已被证明对于PEO与平均分子量相关。降解和非降解样品的整体流动行为通常与文献中观察到的趋势一致，但一部分条件显示降解和非降解样品之间的斜率增量（减阻性能）存在显著偏差。当它们偏离时，降解样品始终比未降解样品更有效，即使它们具有相同的平均分子量。显示偏差与初始和最终分子量之间的归一化差异成比例。目前的数据和分析以及文献表明，聚合物性能的偏差（斜率增量）与分子量分布的变化有关。更具体地，在降解样品的平均分子量下，降解样品相对于未降解样品的改进的性能表明较长聚合物链的过量，因为当在一定程度的降解和雷诺数内时，降解溶液中较高的链分数更有效地控制流动性质。
2019-07-17 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Toward a structural understanding of turbulent drag reduction: nonlinear coherent states in viscoelastic shear flows
非平凡的稳定流最近被发现，捕获的湍流缓冲层的主要结构。我们研究了在平面Couette流中聚合物的加入对这些“精确相干态”的影响。尽管ECS流的简单性，这些效果密切反映了实验观察到的：结构转移到更大的长度尺度，壁正常的波动被抑制，而流向的增强，阻力减少。阐明了这些影响的机制。这些结果表明，ECS是密切相关的缓冲层湍流。
2002-11-20 nlin.CD physics.flu-dyn
Lagrangian dynamics unveil polymer conformation in viscoelastic flows
Tufts University（塔夫茨大学）；Institute for Mechanobiology, Department of Bioengineering, College of Engineering, Northeastern University（东北大学生物工程学院机制生物学研究所）；Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程系）；Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics, University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学机械工程和应用力学系）
本研究通过直接拉格朗日追踪单个DNA分子，揭示黏弹性流中聚合物构象动力学，发现经典本构模型无法完全捕捉瞬态动力学，强调需考虑聚合物分子内力学以改进黏弹性流的本构描述。
2026-09-07 physics.flu-dyn
Nonlinear traveling waves as a framework for understanding turbulent drag reduction
非线性行波是层流-湍流转捩的前兆，它捕获了湍流缓冲层的主要结构，最近被发现存在于所有典型的平行流几何结构中。我们研究了聚合物添加剂对这些“精确相干态”（ECS）的影响，在平面Poietille几何。湍流减阻现象的许多关键方面被发现，包括：过渡到湍流的延迟;减阻起始阈值;直径和浓度效应。此外，ECS存在区域的检查导致一个独特的预测，与实验一致，关于最大减阻制度的性质。具体而言，在足够高的壁剪切速率，粘弹性被发现完全抑制正常（即流向涡为主）的近壁区域的动态，表明最大减阻制度是由一个独特的类流结构为主。
2006-01-24 nlin.CD physics.flu-dyn
Polymer Effects on Heat Transport in Laminar Boundary Layer Flow
我们考虑了一个层流Blasius边界层流动上面的一个轻微加热的水平平板和研究的影响，聚合物添加剂上的热传输。我们表明，聚合物的作用可以被理解为一个空间依赖性的有效粘度，首先从零剪切值增加，然后指数下降回到零剪切值，因为一个远离边界。我们发现，与这样的有效粘度，无论是水平和垂直速度附近的板降低，从而导致摩擦阻力的增加和减少在流动中的热传输。
2011-04-27 nlin.CD physics.flu-dyn
Turbulent duct flow with polymers
本文采用FENE-P模型对聚合物溶液在方管内的湍流流动进行了直接数值模拟。首先，在一个固定的中等雷诺数进行模拟和牛顿流体的结果进行比较，以了解减阻的机制和二次运动，典型的非轴对称管道中的湍流，是受聚合物添加剂。我们的研究表明，普朗特的二次流被修改的聚合物：流向主涡的环量增加，最大涡量的位置向管道的中心移动。由于准流向涡流和相关的近壁低速和高速条纹的实质性改变，面内波动减少，而流向波动在管道中心增强，并在拐角处倾倒;这些尺寸增大并离开墙壁，它们的流向相干性增加。最后，我们研究了定义流动的粘弹性行为的参数的影响，发现Weissenberg数强烈地影响流动，随着横流涡结构的尺寸增大，面内速度波动减小，以增加流动弹性。
2018-10-15 physics.flu-dyn
Strong polymer-turbulence interactions in viscoelastic turbulent channel flow
本文着重研究了粘弹性湍流导致聚合物诱导湍流减阻现象的基本机理。在这个问题上的一个巨大挑战是粘弹性湍流的计算，因为对聚合物物理的理解仅限于力学模型。一个有效的国家的最先进的数值方法来解决建模为非线性弹簧的聚合物的控制方程，而不使用任何人为的假设，像往常一样，在这里实施的第一次在一个三维通道流动几何。该算法捕捉强聚合物-湍流动力学相互作用的能力被描绘的结果，这是更接近定性的实验观察。这使得更详细的研究的聚合物湍流的相互作用，从而产生一个增强的图片上的聚合物湍流能量转移的机制。
2011-11-17 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Heat transport by laminar boundary layer flow with polymers
最近的实验观察的动机，我们认为一个稳态的普朗特-布拉修斯边界层流与聚合物上面稍微加热的水平板和研究如何热传输可能会受到影响的聚合物。我们讨论了如何一组方程可以推导出的问题，以及如何这些方程可以通过数值求解的迭代方案。通过执行这样一个计划，我们发现，聚合物的效果相当于产生一个空间依赖性的有效粘度，首先增加从零剪切值在板，然后迅速降低到零剪切值远离板。我们进一步表明，这种有效的粘度导致阻力的增强，这反过来又导致热传输的减少。
2011-04-23 nlin.CD physics.flu-dyn
Polymer rheology simulations at the meso- and macroscopic scale
我们表明，在波动的介观尺度和流动不稳定性发生的宏观尺度下的聚合物流变学的模拟可以同时实现与耗散粒子动力学（DPD）技术。我们通过在标准DPD流体中引入有限分数的哑铃来模拟聚合物液体的粘弹性。这些哑铃的拉伸和翻滚的统计是在协议与已知的剪切流中的孤立的聚合物。与此同时，该模型表现出的行为让人想起在湍流状态下的减阻：随着聚合物分数的增加，在平面Couette流的湍流的发病被推到更高的雷诺数。该方法开辟了可能性，随后粗粒聚合物统计模型非平凡的流变条件。
2010-06-06 cond-mat.soft physics.class-ph physics.flu-dyn
Role of elasto-inertial turbulence in viscoelastic drag-reducing turbulence
本文通过 RSS 与 ESS 非线性部分对阻力的贡献，揭示 DRT 是 IT 与 EIT 竞争共存并相互作用的结果，EIT 从壁面向中心扩展并最终形成 MDR。
2021-03-03 physics.flu-dyn
Flow Resistance and Structures in Viscoelastic Channel Flows at Low Re
粘弹性流体在通道和管道中的流动仍然知之甚少，特别是在低雷诺数下。在这里，我们调查的聚合物溶液在直通道中的流动，使用压力测量和粒子跟踪。通过测量流动摩擦系数$f_η$与流速的关系，确定了流动阻力的规律。发现了两种制度：一个过渡区域的特征是阻力迅速增加，另一个类似于惯性区域的特征是阻力突然减小，对流速的依赖性很弱。拉格朗日轨迹显示有限的横向调制没有看到在牛顿流体。这些曲率扰动可以产生足够的环向应力，以维持平行剪切流中的流动不稳定性。
2018-07-02 physics.flu-dyn
Polymers in Fluid Flows
柔性聚合物与流体的相互作用导致了实验室实验中观察到的许多有趣的现象，即自然对流中的减阻、弹性湍流和热输运修改，并且是软物质物理中最具挑战性的课题之一。在本文中，我们回顾了我们目前的知识在这个问题上。我们目前的知识主要是基于直接的数值模拟在过去的二十年中，成功地解释了，至少定性地，大多数的实验结果。我们的目标是尽可能多地解开系统中的基本机制，以捕捉不同的理论方法和解释的基本特征。
2018-10-26 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
How hydrodynamic interactions alter polymer stretching in turbulence
IITB-Monash Research Academy, Indian Institute of Technology Bombay（印度孟买理工学院-蒙纳士大学联合研究院）；Indian Institute of Technology Bombay（印度孟买理工学院）；Monash University（蒙纳士大学）；Université Côte d’Azur（蔚蓝海岸大学）
研究流体动力学相互作用在湍流中对聚合物拉伸的影响，发现HI影响聚合物伸展过渡和伸展分布，且对伸展状态迁移有延迟作用，强调了在聚合物溶液模拟中引入伸展依赖性拖力的重要性。
2026-04-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Transition to turbulence in viscoelastic channel flow of dilute polymer solutions
本研究通过FENE-P流体直接数值模拟，发现稀聚合物溶液粘弹性槽道流比牛顿流更早转捩，临界扰动振幅更低，转捩后聚合物可抑制脉动实现减阻，且两者临界扰动均遵循γ≈-1.25的Re幂律标度。
2023-11-06 physics.flu-dyn
Breaking the Reynolds Analogy: Decoupling Turbulent Heat and Momentum Transport via Spanwise Wall Oscillation in Wall-Bounded Flow
本研究通过展向壁面振荡在湍流通道流中打破雷诺类比，实现优先增强传热而非阻力，为换热器优化提供新途径。
2023-12-20 physics.flu-dyn
