Direct numerical simulation of inertio-elastic turbulent Taylor–Couette flow

弹性不稳定性 湍流 物理 机械 泰勒-库特流 库埃特流 弹性能 涡流 诱捕 雷诺数 湍流动能 雷诺应力 不稳定性 经典力学 赫尔肖流 流量(数学) 直接数值模拟 涡度 热力学
作者
Jiaxing Song,Fenghui Lin,Nansheng Liu,Xi‐Yun Lu,Bamin Khomami
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:926 被引量:17
标识
DOI:10.1017/jfm.2021.757
摘要

The flow physics of inertio-elastic turbulent Taylor–Couette flow for a radius ratio of $0.5$ in the Reynolds number ( $Re$ ) range of $500$ to $8000$ is investigated via direct numerical simulation. It is shown that as $Re$ is increased the turbulence dynamics can be subdivided into two distinct regimes: (i) a low $Re \leqslant 1000$ regime where the flow physics is essentially dominated by nonlinear elastic forces and the main contribution to transport and mixing of momentum, stress and energy comes from large-scale flow structures in the bulk region and (ii) a high $Re \geqslant 5000$ regime where inertial forces govern the flow physics and the flow dynamics is mainly governed by small-scale flow structures in the near-wall region. Flow–microstructure coupling analysis reveals that the elastic Görtler instability in the near-wall region is triggered via significant polymer extension and commensurately high hoop stresses. This instability gives rise to small-scale elastic vortical structures identified as elastic Görtler vortices which are present at all $Re$ considered. In fact, these vortices develop herringbone streaks near the inner wall that have a longer average life span than their Newtonian counterparts due to their elastic origin. Examination of the budgets of mean streamwise enstrophy, mean kinetic energy, turbulent kinetic energy and Reynolds shear stress demonstrates that increasing fluid inertia hinders the generation of elastic stresses, leading to a monotonic reduction of the elastic-related effects on the flow physics.

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