柔性及刚性聚合物溶液湍流管道流的统计与谱分析

我们展示了一项关于柔性及刚性聚合物溶液湍流减阻的实验研究。柔性聚合物为部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），刚性聚合物为黄原胶（XG）。实验在低减阻（$\%DR < 40$）、高减阻（$\%DR > 40$）以及最大减阻（其中速度剖面 $U^+$ 大致符合 Virk 渐近线）下进行。我们比较了由激光多普勒测速仪（LDA）测得的速度剖面、流向与壁法向雷诺应力以及流向速度脉动的功率谱。我们的结果表明，在雷诺数与 $\%DR$ 也相近时，XG 与 HPAM 聚合物对湍流的影响相似。在较高级别的 $\%DR$ 下，XG 与 HPAM 流的流向速度脉动功率谱密度在惯性区附近呈现接近 $-3$ 的幂律衰减，而非 $-5/3$。功率谱斜率为 $-3$ 近来被解释为聚合物射流中弹性-惯性湍流（EIT）的证据。在相对较低浓度下，我们观察到柔性聚合物溶液减阻更有效，而 XG 仅在极高浓度下才达到 MDR。因此，我们假设较高浓度下聚合物聚集体的形成有助于增加粘弹性，从而增加 XG 及其他刚性聚合物溶液的 $\%DR$。