低雷诺数下的非牛顿湍流射流

我们在低雷诺数下对牛顿流体典型层流条件下的非牛顿流体平面射流进行直接数值模拟。我们选取了三种不同的非牛顿流体模型，分别以剪切变稀（Carreau）、粘弹性（Oldroyd-B）以及剪切变稀与粘弹性兼具（Giesekus）为特征，并对所得流动统计量进行了详尽分析。我们观察到，随着 Weissenberg 数的增大，射流从低 Weissenberg 数下的层流过渡到高 Weissenberg 数下的湍流。我们表明，不同的非牛顿特征及其组合产生了相当不同的流动状态，其源于粘性、弹性与惯性效应的竞争。我们观察到粘弹性与剪切变稀均可引发失稳并随之转变为湍流流动状态；然而，纯粘弹性 Oldroyd-B 流体在比纯剪切变稀 Carreau 流体更低的 Weissenberg 数下就出现了无序流体运动。当两种效应同时存在时，发现了一种中间状态，表明在此情形下剪切变稀特征对流体弹性起抑制作用。尽管流动状态存在定性差异，整体统计量即中心线速度与射流厚度，几乎遵循与层流及湍流牛顿平面射流相同的幂律标度。