颗粒接触处的驻点引发三维多孔介质中的弹性流动不稳定性
流体动力学
2024-12-05 v1 软凝聚态物质
混沌动力学
摘要
许多环境、能源和工业过程涉及聚合物溶液在三维(3D)多孔介质中的流动，其中流体被限制在复杂的孔隙空间几何结构中穿行。当聚合物通过曲折的孔隙空间输运时，弹性应力累积，导致在超过阈值流速时出现非定常流动波动。孔隙空间几何结构如何影响这种弹性不稳定性的发展和特征？在此，我们通过直接对微加工的三维有序多孔介质中聚合物溶液流动进行成像来探讨这一问题，这些介质具有精确控制的几何结构，由球形颗粒的简单立方(SC)或体心立方(BC)阵列组成。在两种情况下，我们发现流动不稳定性产生于颗粒接触处出现的驻点，而非单个颗粒绕流情况下的极向上下游颗粒表面。流动不稳定性的特征强烈依赖于晶胞几何结构：在SC堆积中，不稳定性表现为随时间变化的、波动的三维涡旋的形成；而在BC堆积中，则表现为流动迹线中持续的波动“摆动”和交叉。尽管存在这种差异，我们发现随着流速增加，从稳态到非稳态流动的转变特征在不同几何结构间具有共性。此外，对于两种堆积几何结构，我们的数据表明，由接触相关驻点产生的拉伸流动诱导的聚合物应力是整个介质宏观流动阻力的主要贡献者。总之，我们的工作强调了颗粒间接触——通常被理想化为离散点因而被忽视，但在大多数天然和工程介质中固有存在——在塑造多孔介质弹性不稳定性中的关键作用。
引用
@article{arxiv.2412.03510,
title = {Stagnation points at grain contacts generate an elastic flow instability in 3D porous media},
author = {Emily Y. Chen and Christopher A. Browne and Simon J. Haward and Amy Q. Shen and Sujit S. Datta},
journal= {arXiv preprint arXiv:2412.03510},
year = {2024}
}