p Quando os polímeros flexíveis de cadeia longa são dissolvidos em um fluxo turbulento, as propriedades do fluxo podem ser alteradas drasticamente, reduzindo o arrasto e aumentando a mistura. Um enigma fundamental na ciência dos materiais é entender como esses aditivos poliméricos interagem com diferentes escalas espaciais em fluxo turbulento para alterar a transferência de energia da turbulência. Em um novo relatório agora em Avanços da Ciência , Yi-Bao Zhang e uma equipe de pesquisa mostraram como a energia cinética turbulenta pode ser transferida em diferentes escalas na presença de aditivos de polímero. A equipe observou o surgimento de uma faixa de dimensionamento anteriormente não identificada, conhecida como faixa elástica, onde uma quantidade aumentada de energia poderia ser transferida pela elasticidade dos polímeros. As descobertas têm aplicações importantes em muitos sistemas turbulentos, incluindo turbulência em plasmas ou superfluidos. p Propriedades de fluxo e função de estrutura de velocidade (VSF)

p Cientistas de materiais mostraram como a dissolução de uma pequena quantidade de polímero flexível de cadeia longa em um fluido pode alterar as propriedades de fluxo. O número de Reynolds ajuda a prever padrões de fluxo em diferentes situações de fluxo de fluido. Em baixo Reynolds, o fluxo de fluido normal é estável e laminar, e a adição de polímeros pode induzir fortes flutuações para criar turbulência elástica. Fluxos turbulentos de alto número de Reynolds podem resultar na redução substancial do arrasto e no aumento ou redução da transferência de calor por convecção. Os investigadores pretendem compreender a interação entre polímeros e a cascata de turbulência por razões teóricas e aplicações práticas. Atualmente, é crítico medir de forma abrangente os espectros de energia ou a função de estrutura de velocidade (VSF) em fluxos turbulentos com aditivos de polímero. Neste relatório, Zhang et al. detalhou uma observação experimental da nova faixa elástica em uma configuração de fluxo turbulento de laboratório e mediu a escala da função de estrutura de velocidade na nova faixa elástica, que divergia de qualquer teoria existente.

p A configuração experimental

p Os cientistas geraram o fluxo turbulento em um aparelho giratório de von Kármán contendo dois discos contra-rotativos fechados em um tanque cilíndrico cheio de 100 L de água ou soluções de polímero. Eles mediram os três componentes da velocidade do fluido em um plano central que passa pelo eixo do tanque usando um sistema de velocimetria de imagem de partícula estereoscópica (PIV). De acordo com as medições, o fluxo próximo ao centro do tanque era quase homogêneo e isotrópico para ambos os fluxos com água e com soluções diluídas de polímeros de cadeia longa em água. Os cientistas usaram poliacrilamida (PAM) para os polímeros durante os experimentos. A equipe observou um número Reynolds para a água pura na faixa de 340 a 350, indicando uma faixa inercial totalmente desenvolvida em turbulência. Em equilíbrio, os polímeros permaneceram no estado enrolado. Durante o fluxo fraco na solução, o polímero permaneceu no estado enrolado com efeito insignificante no fluxo. Comparativamente, durante o fluxo intenso, os polímeros esticados para armazenar energia elástica para liberação no fluido. O fluido então apresentou comportamento viscoelástico. Durante fluxos turbulentos, eles caracterizaram a transição usando o número de Weissenberg para medir o tempo de relaxamento do polímero em relação à escala de tempo de turbulência. Para que os polímeros sejam esticados pelo fluxo, o número de Weissenberg tinha que ser maior do que a unidade. Durante as medições, Zhang et al. considerou apenas a interação entre o fluido e o polímero único, enquanto negligenciando as interações polímero-polímero diretas.

p Medindo a amplitude elástica

p Para então quantificar o limite da faixa elástica, os pesquisadores adaptaram uma forma analítica da função de estrutura de velocidade longitudinal de segunda ordem (VSF) para turbulência newtoniana proposta por Batchelor et al. Conforme a concentração de polímero na amostra aumentou, o quadrado médio medido da derivada da velocidade longitudinal diminuiu, indicando que a energia dissipada pela viscosidade em escalas muito pequenas - consistente com experimentos anteriores e simulações numéricas. A diminuição da dissipação de viscosidade com a concentração de polímero ao lado da independência da taxa de transferência de energia de turbulência em escalas maiores indicou que a taxa de transferência de energia na faixa elástica variava não trivialmente. A equipe, portanto, investigou métodos para obter a taxa de transferência de energia com uma configuração que atraiu cada vez mais energia para a energia elástica do polímero devido às interações entre redemoinhos turbulentos e elasticidade do polímero.

p As escalas de crossover.

p Zhang et al. em seguida, identificou a faixa elástica e examinou a escala de cruzamento entre a faixa elástica e a faixa de dissipação (denominado a1), seguido pela escala de cruzamento entre a faixa elástica e a faixa inercial (denominado a2). Eles então estudaram como as duas escalas de crossover variavam com os parâmetros de controle. A escala de cruzamento entre a faixa elástica e a faixa de dissipação pareceu diminuir ligeiramente com a concentração de polímero; Contudo, a equipe creditou isso à provável contaminação devido à baixa resolução espacial das medições de velocimetria de imagem de partícula. Os cientistas então corrigiram a imprecisão observada em função da concentração de polímero e mostraram que, para pequenas concentrações de polímero, a escala de cruzamento entre a faixa elástica e a faixa inercial era muito pequena.

p Escalonamento da função de estrutura de velocidade de alta ordem

p A equipe também investigou o problema do fluxo de turbulência para dimensionar a função de estrutura de velocidade de alta ordem (VSF) na faixa inercial com água e aditivos de polímero. As semelhanças de comportamento resultantes mostraram como a amplitude elástica da transferência de energia através de escalas foi alterada pelos polímeros. A equipe espera observar características comuns entre a turbulência newtoniana e a turbulência polimérica. Os resultados mostraram excelente concordância entre os dados e a previsão para mostrar como a transferência de energia foi substancialmente alterada por polímeros na faixa elástica. Enquanto isso, a transferência flutuante de energia local seguia descrições estatísticas semelhantes às da turbulência newtoniana.

p Panorama

p Desta maneira, Yi-Bao Zhang e colegas observaram experimentalmente a escala da faixa elástica no fluxo turbulento com aditivos de polímero. Eles mediram a transferência de energia cinética turbulenta na presença de aditivos de polímero. Conforme o fluxo de energia através do fluxo turbulento diminuiu, o fluxo de energia através do grau de liberdade elástico dos polímeros aumentou. O estudo lançou uma nova luz para conduzir mais investigações teóricas e numéricas sobre a interação entre a elasticidade de aditivos de polímero e redemoinhos turbulentos. Esses processos experimentais podem ser observados na prática em mecanismos físicos, como interações eletromagnéticas em plasmas e ondas de Alfvén em superfluidos. p © 2021 Science X Network