年9月12日,Nature旗下子刊ScientificReports刊登了SimonJ.Haward,GarethH.McKinley以及AmyQ.Shen等人关于聚合物溶液在近乎理想平面拉伸流动中的弹性不稳定性流动现象相关文章。
拉伸动力学广泛存在于具有流向速度梯度的流动中,例如T型或Y型通道中的汇流、突扩或突缩管中流动、障碍物扰流等。许多工业过程经常涉及具有粘弹性的聚合物溶液,剧烈的拉伸会导致流体复杂的流变学响应。在此过程中聚合物溶液的最大流量往往受限于弹性不稳定性流动的发生,该现象对于牛顿流体则不存在。在粘滞性的剪切流动中,该现象的研究已取得了显著的进展,然而在拉伸主导(或无剪切)的流动中,则并非如此。完全掌握在任意流动中弹性不稳定现象的影响因素十分有利于许多实际工程应用,例如挤压成型、喷墨印刷、微芯片设计等。
图1(a)平面拉伸流动几何装置;(b)牛顿流体流动,Re=0.35
这篇文章主要目的即为研究在聚合物溶液在近乎理想的平面拉伸流动(图1(a)所示实验通道结构)中的弹性不稳定性流动现象。研究结果表明,在较低的变形率下,聚合物溶液流动呈现类似于牛顿流体流动的稳定与对称结构,如图1(b)和图2(a)所示;而在较高的变形下,流动发生了对称破缺现象(类似于经典的十字交叉通道内的现象),意味着纯弹性不稳定现象的发生,如图2(d)所示。
图2不同拉伸率下的粘弹性流体流动:(a)Re=0.,Wi=0.47;
(b)Re=0.,Wi=1.17;(c)Re=0.1,Wi=1.96;(d)Re=0.14,Wi=2.74;
然而,在中间变形率的条件下,该文章获得了一种新型的弹性不稳定现象,其呈现横向的偏移,且驻点与时间相关,如图2(b)和2(c)所示。另外,校验了表征该新型不稳定性现象的临界无量纲数M。
图3驻点随时间的变化:(a)Re=0.,Wi=0.47;(b)Re=0.,Wi=1.17;(c)Re=0.1,Wi=1.96;(d)Re=0.14,Wi=2.74;
关于在该装置中的弹性不稳定现象的机理,该文章认为其与粘弹性流体在有旋或无旋流动中的沿弯曲流线所产生的张力(tension)有关。
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