Anomalous Reynolds stress and dynamic mechanisms in two-dimensional elasto-inertial turbulence of viscoelastic channel flow

湍流 粘弹性 雷诺应力 机械 雷诺数 惯性参考系 流量(数学) 雷诺分解 明渠流量 雷诺应力方程模型 物理 经典力学 Kε湍流模型 K-omega湍流模型 雷诺方程 热力学
作者
Haotian Cheng,Hong-Na Zhang,Wenhua Zhang,Suming Wang,Yuke Li,Bin Li,Feng‐Chen Li
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2502.05522
摘要

Elasto-inertial turbulence (EIT) has been demonstrated to be able to sustain in two-dimensional (2D) channel flow; however the systematic investigations on 2D EIT remain scare. This study addresses this gap by examining the statistical characteristics and dynamic mechanisms of 2D EIT, while exploring its similarities to and differences from three-dimensional (3D) EIT. We demonstrate that the influence of elasticity on the statistical properties of 2D EIT follows distinct trends compared to those observed in 3D EIT and drag-reducing turbulence (DRT). These differences can be attributed to variations in the underlying dynamical processes. As nonlinear elasticity increases, the dominant dynamic evolution in 3D flows involves the gradual suppression of inertial turbulence (IT). In contrast, 2D flows exhibit a progressive enhancement of EIT. More strikingly, we identify an anomalous Reynolds stress in 2D EIT that contributes negatively to flow resistance, a behavior opposite to that of IT. Quadrant analysis of velocity fluctuations reveals the predominance of motions in the first and third quadrants. These motions are closely associated with polymer sheet-like extension structures, which are inclined from the near-wall region toward the channel center along the streamwise direction. Finally, we present the dynamical budget of 2D EIT, which shows significant similarities to that of 3D EIT, thereby providing compelling evidence for the objective existence of the 2D nature of EIT.

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