FENE哑铃与湍流剪切流的双向耦合

我们展示了分散在中等雷诺数湍流平面剪切流中的有限可扩展非线性弹性（FENE）哑铃的数值研究。聚合物系综在介观层面上由一组带有布朗噪声的随机常微分方程描述。牛顿溶剂的动力学由纳维-斯托克斯方程确定。哑铃与溶剂之间的动量传递通过在纳维-斯托克斯方程中引入一个附加的体积力项来实现，使得所得到的粘弹性流体的两个组分通过双向耦合连接起来。哑铃的动力学则由包含微小惯性效应的牛顿第二运动定律给出。我们研究了由魏森贝格数和斯托克斯数分别表征的不同哑铃弹性和惯性程度下的流动动力学。对于我们研究中可及的参数范围，聚合物对湍流宏观特性的反馈幅度仍然很小，这通过全局能量收支和雷诺应力得以量化。对于较大的粒子惯性，观察到湍流阻力最多降低20%。哑铃的角度统计显示，随着弹性和惯性的增加，其与平均流动方向的取向一致性增强。这与流向湍流速度分量的横向导数的概率密度函数不对称性增加相一致。我们发现，哑铃优先在涡旋拉伸或双轴应变主导局域动力学和速度梯度张量拓扑结构的区域被拉伸。