近日，我校極端力學(xué)研究院和航空學(xué)院郗恒東教授團(tuán)隊(duì)在物理學(xué)領(lǐng)域期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）發(fā)表了題為“高聚物湍流中耗散率抑制的最大極限”（Maximum Dissipation Reduction in Bulk Polymeric Turbulence）的研究論文。西北工業(yè)大學(xué)極端力學(xué)研究院和航空學(xué)院為論文第一署名單位。論文第一作者張億寶為郗恒東教授的博士后（郗恒東教授2021屆博士畢業(yè)生，現(xiàn)為清華大學(xué)能動(dòng)系助理研究員）。西北工業(yè)大學(xué)極端力學(xué)研究院和航空學(xué)院郗恒東教授為論文的通訊作者。論文合作者包括郗恒東教授2025屆博士畢業(yè)生王封和2023屆博士畢業(yè)生彭盛宏。該論文被選為亮點(diǎn)論文在美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）旗下的物理雜志（Physics Magazine）進(jìn)行特別報(bào)道。
論文和亮點(diǎn)報(bào)道首頁(yè)
在流體中加入微量長(zhǎng)鏈柔性高聚物可顯著降低壁面摩擦阻力，減阻效果高達(dá)80%，這在流動(dòng)減阻、流動(dòng)噪聲控制等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。在壁湍流中，隨著濃度的增加，高聚物的減阻效果分為三個(gè)典型區(qū)間：阻力不變、減阻區(qū)和最大減阻區(qū)。在遠(yuǎn)離壁面的各向同性湍流中，高聚物的卷曲拉伸行為為流動(dòng)帶來(lái)新的能量傳輸機(jī)制，改變湍流能量從大尺度結(jié)構(gòu)向小尺度結(jié)構(gòu)傳遞的過(guò)程（Xi et al., Phys. Rev. Lett., 2013； Zhang et al., Sci. Adv., 2021）。然而，高聚物如何影響各向同性湍流的耗散機(jī)制和湍流結(jié)構(gòu)，一直是學(xué)界未解之謎。
近期，郗恒東教授課題組結(jié)合理論分析和精細(xì)實(shí)驗(yàn)，解耦了高聚物湍流的兩個(gè)重要控制參數(shù)，系統(tǒng)研究了湍流能量耗散的變化規(guī)律及湍流相干結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)采用自行設(shè)計(jì)搭建的馮卡門(mén)渦旋流動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生各向同性湍流，利用層析粒子圖像測(cè)速技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置中心區(qū)域進(jìn)行了高精度測(cè)量。通過(guò)測(cè)量得到的三維速度，可以在不借助任何假設(shè)的情況下計(jì)算湍流能量耗散率和分析湍流結(jié)構(gòu)。
研究發(fā)現(xiàn)隨著高聚物濃度的增加，湍流耗散行為可分為兩個(gè)階段：耗散抑制階段與最大耗散抑制階段。在最大耗散抑制階段，高聚物的影響范圍擴(kuò)展至積分長(zhǎng)度尺度，而非傳統(tǒng)理論所認(rèn)為的Lumley尺度；另外，高聚物應(yīng)力使得剪切層更為穩(wěn)定，抑制了片狀渦結(jié)構(gòu)的自發(fā)卷起（roll-up），從而導(dǎo)致高聚物湍流主導(dǎo)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)為片狀渦結(jié)構(gòu)。
該研究不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)理論中對(duì)高聚物影響的最大尺度的認(rèn)知，也為高聚物在湍流中的優(yōu)化應(yīng)用提供了理論依據(jù)。研究成果對(duì)于理解高聚物湍流中的能量耗散與混合機(jī)制、指導(dǎo)工業(yè)流動(dòng)控制與能源效率提升、驗(yàn)證和發(fā)展粘彈性流體數(shù)值模型具有重要的科學(xué)價(jià)值與工程意義。
隨著高聚物濃度的增加，湍流能量耗散率呈現(xiàn)
兩個(gè)區(qū)間——耗散率抑制區(qū)和最大耗散率抑制區(qū)，
且湍流結(jié)構(gòu)從管狀渦變?yōu)槠瑺顪u。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)中心項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/vxvs-zdbt
（文字：張億寶；圖片：張億寶；審核：索濤）
