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近日，《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）在線刊登了清華大學能動系孫超課題組與合作團隊關(guān)于粘彈性流體彈性湍流到彈慣性湍流轉(zhuǎn)變過程的研究論文，題目為Experimental evidence for the continuous transition between elastic and elasto-inertial turbulence。

粘彈性流體廣泛存在于日常生活和工業(yè)應用中，如牙膏、洗發(fā)水、高聚物溶液等。這類流體在流動中表現(xiàn)出與牛頓流體截然不同的湍流行為。早在20世紀，學者就發(fā)現(xiàn)加入微量高聚物可顯著降低流體在管道中的摩擦阻力（減阻效應），減阻率最高可達80%。此外，高聚物還能誘發(fā)兩種新型湍流：彈性湍流（在慣性可忽略時發(fā)生）和彈慣性湍流（在有限慣性時發(fā)生）。長期以來，學界對彈性湍流和彈慣性湍流是相互獨立還是相互關(guān)聯(lián)的存在激烈爭議。

圖1：采用自行設(shè)計搭建的實驗裝置，

系統(tǒng)研究了不同彈性的粘彈性流體的轉(zhuǎn)捩特征

研究團隊采用自行搭建的泰勒-庫埃特流動裝置（圖1），通過變化粘彈性流體的彈性，系統(tǒng)研究了不同流態(tài)下的流動特性。研究結(jié)合全局扭矩測量與局部粒子圖像測速技術(shù)，量化了彈性應力和慣性對角動量輸運的貢獻，獲得了不同流態(tài)的流動結(jié)構(gòu)以及速度功率譜。

圖2：隨著粘彈性流體彈性效應的減小，

彈性湍流光滑連續(xù)地過渡到彈慣性湍流

研究發(fā)現(xiàn)無論是在彈性湍流還是在彈慣性湍流中，彈性應力都是驅(qū)動流動不穩(wěn)定性和維持湍流的主要因素，慣性僅起輔助作用。通過穩(wěn)定性分析，提出了一個統(tǒng)一函數(shù)描述從彈性不穩(wěn)定性到彈慣性不穩(wěn)定性的連續(xù)轉(zhuǎn)變。進一步地，利用本征正交分解和能譜分析，發(fā)現(xiàn)流場結(jié)構(gòu)（如速度條帶、剪切層）和能譜指數(shù)從彈性湍流到彈慣性湍流逐漸變化，無明顯躍變（圖2）。

該工作闡明了粘彈性流體彈性湍流與彈慣性湍流間的聯(lián)系與區(qū)別，深化了對非牛頓流體湍流產(chǎn)生機制的理解。提出的扭矩-速度聯(lián)合測量方法與穩(wěn)定性分析框架，可推廣至其它彎曲流動、多孔介質(zhì)流等復雜流體系統(tǒng)。研究為高聚物減阻技術(shù)、高聚物加工等提供了新的認識。

清華大學能動系助理研究員張億寶為論文第一作者，清華大學能動系孫超教授以及西北工業(yè)大學極端力學研究院和航空學院郗恒東教授為論文的共同通訊作者，論文合作者包括南方科技大學力學與航空航天工程系李露博士、清華大學燃燒能源中心和能動系2023級博士生范亞寧和中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院蘇敬宏博士。

該工作得到了國家自然科學基金卓越研究群體項目、青年科學基金、騰訊新基石研究員項目和科學探索獎等的支持。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2505007122

圖文 | 張億寶

編輯 | 宋婷婷

審核 | 麻林巍

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