物理学 > 流体动力学
[提交于 2025年1月3日
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标题: 非牛顿流体的湍流管道流动
标题: Turbulent Pipe Flow of Thixotropic Fluids
摘要: 具有内部微观结构的复杂材料,如悬浮液和乳液,表现出时间依赖的流变性,其特征是粘弹性与触变性。 在许多大规模应用中,如湍流管道流动,弹性响应发生的时间尺度远小于触变性,因此这些流动是纯粹的触变性。 触变性湍流的基本动力学尚不明确,特别是微观结构状态、流变性和湍流结构之间的相互作用。 为解决这一问题,我们对一种模型触变性(Moore)流体在一系列触变粘度数$\Lambda$的充分发展湍流管道流动进行了直接数值模拟(DNS),从相对于涡旋翻转时间较慢($\Lambda\ll 1$)到较快($\Lambda\gg 1$)的触变动力学。 在拉格朗日框架中对DNS结果的分析显示,正如预期的那样,在慢速和快速动力学极限下,这些时间依赖的流动表现为时间不变的纯粘性(广义牛顿型)类似物。 对于中间动力学($\Lambda\sim 1$),流变性由触变衰减记忆核在拉格朗日剪切历史分布上的\emph{路径积分}所决定,后者通过一个简单的随机模型来模拟径向非平稳的管道流动。 基于这种有效粘度闭合的DNS计算与完全触变性模型在$\Lambda=1$上表现出极好的一致性(误差在2.4%以内),表明纯粘性(广义牛顿型)类似物在任意$\Lambda\in[0,\infty^+)$值和跨非线性流变模型的情况下仍然存在。 这些结果揭示了微观结构、流变性和湍流之间的反馈机制,并为触变性湍流的结构提供了基本见解。
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