Development of polymer model in viscoelastic fluid based on complementary roles of active and inactive polymers

基于活性和非活性聚合物互补作用的粘弹性流体聚合物模型的开发

基本信息

批准号：
17K06145
负责人：
堀内潔
金额：
$ 3万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-01 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、高分子添加溶液中の高分子流動の解析を目指し、高分子鎖をdumbbellで近似したBDS-DNS法を用いた。Dumbbellが溶媒の変形に追随する反変性の仮定が用いられて来たが、反変型は中間値の高分子エネルギー生成を担い、伸長が大きい場合、高分子エネルギーを溶媒の散逸に伝達するEITが発生し、抵抗低減が低下する。過去の研究において、非追随性が最大の共変型dumbbellでは、反変型以上の伸長と高分子エネルギー生成が得られてEITが抑制され、両型は互いに相補的な役割を果たす事を示した。実際は非追随性が可変になると考えられ、非追随性が可変な新規モデルの構築を行い、工学的実用化を図った。Dumbbellの回転による配向の変換を非追随性強度の増減に繰り込んで可変性を導入し、一様等方乱流において検証した。追随性を解除した場合、実際に反変型から共変型への遷移が起き、両型間の変換が概周期的に反復される事を示した。反変型では、伸長方向から周方向への配向変換により EITが低減されるが、最大の抵抗低減は，反変型から共変型への遷移により得られ、EIT が消失する事を明らかにし、モデルの有効性を示した。BDS-DNSは実用計算には不向きであるため、BDS-DNSのモデルを高分子応力の構成方程式によるDNSに適用可能なモデルに拡張し、計算時間の削減、BDS-DNSと同等な両型間の概周期的な変動と抵抗低減が得られることを示した。更に、反変型の磁場から成るMaxwell応力を付加したMHD乱流のDNSを行い、伸長が大きな磁場は飽和して磁場エネルギーの流体散逸への伝達が起きる事を示した。また、共変型のスカラー勾配から成る応力を付加したスカラー場のDNSを行い、スカラー勾配が反変的な渦度より伸張が大きい事と共変型高分子と整合する抵抗低減が得られる事を示し、反変性と共変性要素が有する特性の普遍性を明らかにした。

在本研究中，我们旨在分析添加聚合物的溶液中的聚合物流动，并使用 BDS-DNS 方法，该方法用哑铃来近似聚合物链。一直使用哑铃跟随溶剂变形的逆变假设，但逆变类型负责中间值聚合物能量的产生，当伸长率较大时，会发生将聚合物能量转移到溶剂耗散的EIT，导致减阻效果较低。在过去的研究中，我们已经表明，具有最大不可追踪性的协变型哑铃可以比逆变型拉长更多，并产生聚合物能量，抑制EIT，并且两种类型发挥互补作用。在现实中，人们认为不可追踪性是可变的，因此我们构建了一种新的可变不可追踪性模型，并尝试将其应用于工程实际。通过将哑铃旋转引起的方向变化纳入非跟踪强度的增加/减少中引入了可变性，并在均匀各向同性湍流中进行了验证。结果表明，当去除可跟随性时，实际上会发生从逆变类型到协变类型的转换，并且两种类型之间的转换大约周期性地重复。在逆变型中，通过将方向从伸长方向改变为圆周方向来降低EIT，但是通过从逆变型转变为协变型来获得最大电阻降低，并且表明EIT消失，并且模型的证明了有效性。由于BDS-DNS不适合实际计算，我们基于聚合物应力本构方程，将BDS-DNS模型扩展为可应用于DNS的模型，减少了计算时间，建立了与BDS-DNS等效的模型。结果表明，可以获得大致周期性波动和电阻减小。此外，我们对由逆变磁场组成的具有麦克斯韦应力的MHD湍流进行了DNS分析，结果表明，具有大延伸的磁场饱和，并且发生磁场能量向流体耗散的转移。我们还对由共变标量梯度组成的应力标量场进行了 DNS 分析，结果表明，标量梯度比逆变涡量具有更大的扩展，并且可以获得与共变聚合物一致的减阻效果，揭示了性质的普适性。逆变和协变元素。