Elastic turbulence generates anomalous flow resistance in porous media

湍流 多孔介质 流量(数学) 机械 雷诺数 弹性不稳定性 赫尔肖流 不稳定性 微流控 材料科学 惯性参考系 多孔性 流体力学 物理 经典力学 纳米技术 复合材料
作者
Christopher Browne,Sujit S. Datta
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:7 (45) 被引量:57
标识
DOI:10.1126/sciadv.abj2619
摘要

Many energy, environmental, industrial, and microfluidic processes rely on the flow of polymer solutions through porous media. Unexpectedly, the macroscopic flow resistance often increases above a threshold flow rate in a porous medium, but not in bulk solution. The reason why has been a puzzle for over half a century. Here, by directly visualizing flow in a transparent 3D porous medium, we demonstrate that this anomalous increase is due to the onset of an elastic instability in which the flow exhibits strong spatiotemporal fluctuations reminiscent of inertial turbulence, despite the small Reynolds number. Our measurements enable us to quantitatively establish that the energy dissipated by pore-scale fluctuations generates the anomalous increase in the overall flow resistance. Because the macroscopic resistance is one of the most fundamental descriptors of fluid flow, our results both help deepen understanding of complex fluid flows and provide guidelines to inform a broad range of applications.

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