聚合物诱导的湍流泰勒-库埃特流动中的流动转变：涉及同向旋转和反向旋转的圆柱体

时间：2026年5月26日

来源：Journal of Fluid Mechanics

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摘要通过直接数值模拟研究了在罗斯贝数（Rossby number）范围内，逆旋转（counter-rotation）和同旋转（co-rotation）对湍流粘弹性泰勒-库埃特流（turbulent viscoelastic Taylor–Couette flow）的影响。

摘要

通过直接数值模拟研究了在罗斯贝数（Rossby number）范围内，逆旋转（counter-rotation）和同旋转（co-rotation）对湍流粘弹性泰勒-库埃特流（turbulent viscoelastic Taylor–Couette flow）的影响。罗斯贝数的范围为 $ \textit{Ro}^{-1}=1$。研究发现了一种与牛顿流体（Newtonian flows）截然不同的聚合物诱导的流动转变机制。在逆旋转情况下，中性界面（neutral surface）会发生弹性变形，将包含混沌涡旋（chaotic vortices）的湍流内壁区域与外圆柱附近的重整化层（relaminarised layer）分隔开来。值得注意的是，同旋转会引发弹性旋转不稳定性（elasto-rotational instability），导致大尺度泰勒涡旋（large-scale Taylor vortices）分解为小尺度穿透结构（small-scale penetrating structures），从而在高同旋转速率下阻碍了流动的重新整流（relaminarisation）。对湍流动力学的分析表明，随着 $ \textit{Ro}^{-1}$ 的增加，聚合物的伸长率（polymer elongation）也呈现出单调增长趋势。此外，聚合物的取向（polymer orientation）强烈依赖于涡旋结构（vortical structures），在相邻涡旋之间的边界区域会出现更强的径向排列（radial alignment）。这种由涡旋介导的聚合物取向对于产生显著的聚合物剪切应力（polymer shear stress）至关重要，它建立了相干结构（coherent structures）与聚合物动力学（polymer dynamics）之间的直接联系。