Particle-laden Taylor-Couette流：高阶转变和径向局部波浪涡旋的证据

2023/04/10   下载量： 0 次

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应用领域 航空航天
检测样本 航空
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参考标准 无

我们扩展了在中性浮力颗粒悬浮的Taylor-Couette流中已知的流动转换，通过在半径比η = 0.917和长径比Γ = 21.67的几何形状中访问更高的悬浮雷诺数(Resusp ∼ O(103))。通过流体可视化实验研究了几种颗粒体积分数(0 ≤ φ ≤ 0.40)下的流动转换，这些实验中流体由旋转的内缸驱动。尽管有效斜率更高，但我们观察到存在非对称的图案，例如旋涡，存在颗粒的情况下。我们实验的一项新发现是方位局部化的波动涡流，其特征在一些本来是轴对称的Taylor涡旋中存在波状。这种流动状态的存在表明，除了已经被确认的颗粒不稳定性效应外，它们还可以抑制不稳定性的增长。颗粒悬浮液中对应于高阶转换的流动拓扑似乎与单相流中观察到的拓扑相似。然而，一个关键区别是在更高颗粒负载下出现的第二个不协调频率的出现减少了，这可能对混沌的发生有影响。同时进行的扭矩测量使我们能够估计努塞尔数(Nuω)、Taylor数(Ta)和相对粘度(χe)之间的经验比例关系：Nuω∝Ta0.24χe 0.41。Ta的比例指数与颗粒负载无关。显然，颗粒不会触发在内外缸之间的角动量传递的性质上的定性变化。

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泰勒-库埃特系统是一种典型的流动几何结构，被誉为“流体力学中的氢原子”（Tagg 1994）和“果蝇”（van Gils等人，2012）。这是有充分理由的，因为它作为一个非常简单的系统，在物理学中解决了基本问题，如不稳定性、非线性动力学、图案形成、时空混沌和湍流（Grossmann、Lohse和Sun 2016）。此外，这种流动装置对应用导向的研究也很有兴趣，主要涉及化学处理（请参见Zhu和Vigil 2001的表1，其中有很多例子）。这种几何形状也构成了现代流变仪的骨架，通常用于测量流体的动态粘度（Guazzelli和Pouliquen 2018）。

虽然最初的泰勒-库埃特装置是用于确定流体动力黏度（Couette 1890；Mallock 1896），但现在已经有近一个世纪的时间，泰勒（Taylor）（1923）的开创性贡献奠定了这一领域未来工作的基础。泰勒（Taylor）（1923）的工作确定了旋转内圆筒驱动流动时出现二次流结构的关键条件，随后被称为泰勒涡旋（一对相对旋转的涡旋，轴向堆叠）。这些关键条件通常通过雷诺数，甚至泰勒数来量化。增加圆柱体的旋转速度会导致其他不稳定性，如波涡的出现（Coles 1965）、调制波涡（Gorman和Swinney 1982；Zhang和Swinney 1985），在混沌（Gollub和Swinney 1975；Fenstermacher，Swinney和Gollub 1979）和湍流（Koschmieder 1979；Lathrop，Fineberg和Swinney 1992；Lewis和Swinney 1999）开始之前。最初的研究主要涉及牛顿流体的使用，这本身就提供了大量有趣的流动现象，通过改变流动几何形状或圆柱体旋转的性质（即包括外圆柱体旋转）进行研究。因此，对各种流动模式的广泛研究已经形成了Andereck、Liu和Swinney（1986）编制的综合流动区域图。


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