牛顿流体与粘弹性流体中有限尺寸球形颗粒对湍流的调制

我们通过实验研究了在固定雷诺数下，不同颗粒体积分数时有限尺寸球形颗粒对牛顿流体和减阻粘弹性流体湍流的影响。实验在方形管道中进行，雷诺数 $Re_{2H}$ 约为 $1.1\times10^4$，单相流的魏森贝格数 $Wi$ 介于1-2之间，与相同 $Re_{2H}$ 的牛顿流体相比产生43%的减阻。颗粒为近乎中性悬浮的水凝胶球，密度比为1.0035$\pm$0.0003，管道高度 ${2H}$ 与颗粒直径 $d_p$ 之比约为10。我们使用折射率匹配粒子图像测速仪（PIV）测量了四种不同体积分数 $\phi$（即5%、10%、15%和20%）下的流动统计量。对于牛顿流体（NF）和粘弹性流体（VEF），阻力均随 $\phi$ 单调增加。对于NF，在体积分数低于10%时，由颗粒加入引起的阻力增加幅度可合理地用依赖于浓度的有效粘度估算。然而在高 $\phi$ 下阻力增加被低估。对于VEF，阻力的绝对值低于NF，但其随 $\phi$ 的增加速率更高。与NF中的颗粒类似，VEF中的颗粒倾向于向管道中心迁移并在壁面形成高浓度层。有趣的是，观察到VEF中向中心的迁移相对更高而向壁面的迁移更低。对于两类流体，主雷诺切应力随 $\phi$ 增加在整个管道高度上均减小。