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近日，《美國(guó)科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）在線(xiàn)刊登了清華大學(xué)能動(dòng)系孫超課題組與合作團(tuán)隊(duì)關(guān)于粘彈性流體彈性湍流到彈慣性湍流轉(zhuǎn)變過(guò)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(yīng)用中，如牙膏、洗發(fā)水、高聚物溶液等。這類(lèi)流體在流動(dòng)中表現(xiàn)出與牛頓流體截然不同的湍流行為。早在20世紀(jì)，學(xué)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(yīng)），減阻率最高可達(dá)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(shí)發(fā)生）和彈慣性湍流（在有限慣性時(shí)發(fā)生）。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)界對(duì)彈性湍流和彈慣性湍流是相互獨(dú)立還是相互關(guān)聯(lián)的存在激烈爭(zhēng)議。

圖1：采用自行設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)采用自行搭建的泰勒-庫(kù)埃特流動(dòng)裝置（圖1），通過(guò)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(dòng)特性。研究結(jié)合全局扭矩測(cè)量與局部粒子圖像測(cè)速技術(shù)，量化了彈性應(yīng)力和慣性對(duì)角動(dòng)量輸運(yùn)的貢獻(xiàn)，獲得了不同流態(tài)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)以及速度功率譜。

圖2：隨著粘彈性流體彈性效應(yīng)的減小，

彈性湍流光滑連續(xù)地過(guò)渡到彈慣性湍流

研究發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在彈性湍流還是在彈慣性湍流中，彈性應(yīng)力都是驅(qū)動(dòng)流動(dòng)不穩(wěn)定性和維持湍流的主要因素，慣性?xún)H起輔助作用。通過(guò)穩(wěn)定性分析，提出了一個(gè)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(jìn)一步地，利用本征正交分解和能譜分析，發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)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(wú)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(duì)非牛頓流體湍流產(chǎn)生機(jī)制的理解。提出的扭矩-速度聯(lián)合測(cè)量方法與穩(wěn)定性分析框架，可推廣至其它彎曲流動(dòng)、多孔介質(zhì)流等復(fù)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(rèn)識(shí)。

清華大學(xué)能動(dòng)系助理研究員張億寶為論文第一作者，清華大學(xué)能動(dòng)系孫超教授以及西北工業(yè)大學(xué)極端力學(xué)研究院和航空學(xué)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(xué)力學(xué)與航空航天工程系李露博士、清華大學(xué)燃燒能源中心和能動(dòng)系2023級(jí)博士生范亞寧和中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院蘇敬宏博士。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金卓越研究群體項(xiàng)目、青年科學(xué)基金、騰訊新基石研究員項(xiàng)目和科學(xué)探索獎(jiǎng)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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