利用弹性聚合物增强二维蛇形微通道中的传热
流体动力学
2023-10-23 v2 混沌动力学
摘要
在弹性力存在时,即便粘性力主导惯性力(发生于极低雷诺数 Re),稀聚合物悬浮液也会呈现紊乱的流动涨落。此现象称为弹性湍流(ET)。ET 可在小型实验室环境中产生,并与微流控器件中混合效率与传热的增强相关。本研究考察稀聚合物溶液在 ET 条件下的水力与热学特性,其流入条件特征为极低 Re 与高 Weissenberg 数(Wi)。我们使用 Rheotool 对 Oldroyd-B 粘弹性流体的二维曲线通道流动开展广泛直接数值模拟。分析沿蛇形通道的摩擦因子与 Nusselt 数变化,以揭示 ET 的全局与局部特征。基于 Wi,我们辨识出三种 regime。首先,对于 0 < Wi < 3,观察到约 10% 的传热增强,同时摩擦因子较层流约降低 5%,即聚合物诱导热导率增强。其次,对于 3 < Wi < 5,观察到传热急剧线性增加(约 30%),代价是摩擦因子增强至多 15%。最后,在充分发展的弹性湍流 regime(Wi > 5),观察到至多 60% 的传热增强且摩擦因子降低。随 Wi 增加的传热大幅增强主要归因于法向应力与流线曲率间平衡所致弹性不稳定性的增强。
引用
@article{arxiv.2304.04025,
title = {Enhanced heat transfer in a 2D serpentine micro-channel using elastic polymers},
author = {Himani Garg and Lei Wang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2304.04025},
year = {2023}
}