Taylor-Couette 涡流中稀释聚合物添加剂的全球减阻与局部流动统计

我们报告了对聚合物在 Taylor-Couette 涡流中减阻的实验研究，湍流湍流的 Re 范围为 $4\times 10^3$ 至 $2.5\times 10^4$。在此 Re 范围内，Taylor 涡旋存在且占总角速度通量的 50% 以上。使用两种不同平均分子量的聚丙烯酰胺聚合物。发现减阻率随聚合物浓度而增加，并趋近于最大减阻（MDR）极限。在 MDR 时，摩擦系数遵循 $-0.58$ 标度，即 $C_f \sim Re^{-0.58}$，与通道/管流类似。然而，在 MDR 时的减阻率约为 $20\%$，远低于相同 Re 条件下通道/管流的减阻率。我们还发现 Reynolds 剪切应力并未消失，MDR 时平均极化速度剖面在对数层中的斜率保持不变。这些行为类似于通道流中报告的低减阻 regime（Warholic 等人，Exp. Fluids，第 27 卷，第 5 期，1999，第 461-472 页）。我们指出，较低的减阻率源于聚合物强烈抑制湍流，同时仅略微削弱平均 Taylor 涡旋。我们进一步表明，聚合物稳定了速度边界层，抑制了近壁区的小尺度 Görtler 涡旋。前者导致从边界层脱离的强烈快速和缓慢浪涌的辐射率降低，结果是从内缘传递到外缘的通量减少，降低了进入批量湍流能量的输入。我们的结果表明，在湍流中，若次级流动结构在统计上保持持久且支配系统全局传输特性，则聚合物添加剂的减阻效率显著下降。