从“弹性湍流”到“湍流减阻”的多尺度流体结构演化及作用机理研究

项目负责人：袁学锋教授

  摘要:“弹性湍流”和“湍流减阻”是高分子流体非线性动力学的极端表现形式。如何在工程领域高效调控湍流？湍流多尺度结构演变机理是什么？长期困扰着学术界。针对高分子复杂流体的影响因素多、强流场下多尺度动力学耦合机制复杂的挑战，本项目从珠簧链分子模型出发，以自洽场统计理论为框架，结合缠结管道模型，提出建立普适性高分子流体本构方程；以研究团队成功模拟“剪切成带”等非线性流动现象的双流体模型为基础，构建具有热力学一致性的链分子动力学与宏观流体动力学多尺度耦合模型。通过攻克多尺度耦合大规模并行直接数值仿真技术，结合从微观到宏观多物理实验表征，以理论-计算-实验-数据挖掘“四位一体”的系统流变学方法，从动力学和热力学维度构建复杂流体动力学相图；分析状态变量的影响，从中研究多尺度耦合动力学的普遍规律，分析“弹性湍流”与“湍流减阻”动力学机制的关联性和差异性，为揭示湍流结构的生成演化及作用机理取得突破性成果。

科学问题属性：“聚焦前沿，独辟蹊径”

  多尺度结构动力学耦合驱动“弹性湍流”和“湍流减阻”的复杂性及其在工程应用的巨大潜力，一直是流体力学交叉前沿研究的学术制高点和热点。与空气和水等小分子组成的简单牛顿流体相比较，具有“超长”特征弛豫时间和“超大”链分子尺寸的高分子流体可以在较低的Reynolds数下产生湍流，为深入开展多尺度湍流结构生成演化及相互作用的定量研究提供了一个独特的突破口。本研究项目围绕“湍流结构的生成演化及作用机理”重大研究计划的总体目标，以建立湍流结构动力学理论为核心，“聚焦前沿，独辟蹊径”，从高分子构象动力学如何影响湍流结构生成的角度研究湍流转捩，以建立多物理场数据融合分析方法开展基于时空多尺度动力学湍流理论、大规模并行计算方法和多物理场原位测量技术的创新，为实现对湍流阻力、热转换效率的预测和调控奠定理论基础。

  针对当前高分子流体动力学理论难以支撑“弹性湍流”和“湍流减阻”的定量研究，本项目致力于基础理论创新：从非平衡态热力学与非线性流体动力学协同效应的角度，为系统性研究“弹性湍流”和“湍流减阻”提出具有热力学一致性的多尺度结构动力学耦合模型；关键技术创新：突破大规模并行计算多尺度流体结构动力学耦合模型和多物理场原位时空表征技术的瓶颈，面向新一代国产高性能超级计算机，基于自主和开源CFD软件，开展典型示范应用；研究方法创新：提出以“四位一体”--理论建模、多尺度高性能计算、多物理实验表征、多源数据融合分析--的系统流变学方法为手段，研究高分子溶液从准平衡态到远离平衡态多尺度湍流结构形态转捩的普遍规律；构建高分子流体动力学相图，并以此深入研究瞬态高分子构象空间分布与宏观浓度场、速度场、应力场、压力场随机涨落、湍流拟序结构演化的相关性，揭示“弹性湍流”、“弹-惯性湍流”、“湍流减阻”的生成与多尺度结构动力学演化机制，以数据融合促进学科交叉和新知识发现，为建立湍流结构动力学理论提供新动力。

  研究意义：“弹性湍流”和“湍流减阻”是链状高分子流体在强流场下产生的奇特物理现象，为揭示湍流结构的生成演化及作用机理，建立湍流结构动力学理论提供了一个新颖的研究视角。与低Reynolds（Re）数条件下牛顿流体呈现的层流特征不同，高分子溶液在低Re数条件下就可以产生牛顿流体必须在高Re数条件下才能观察到的湍流现象。这是由于高分子溶液的特征弛豫时间比小分子溶剂要高出许多个数量级，通常达到毫秒级以上。因此，只要流场的应变率足够大到无量纲Weissenberg（Wi）数超过某个临界值时，高分子溶液的流动开始由弹性力主导，继而出现“弹性失稳”（Elastic Instability）。进一步提高Wi数（加大流速），湍流就会出现。鉴于其完全不同于高Re数下“惯性湍流”的物理本质，Groisman 和Steinberg把它命名为“弹性湍流”（Elastic Turbulence）。这一奇特现象在微流通道和宏观流场都可产生，极具工程应用价值。如强化微流道内的传质（混合）效率，增强微孔隙岩石中的二次和三次原油采收率，提高宏观尺度流道、微流道器件的传热效率（近四倍），以及在动态阀门和抗电磁干扰的存储与控制器等领域都具有极大的应用潜力。与之相对应的是，在高Re数和较高Wi数条件下、管道中高分子溶液的流动阻力要显著低于同样黏度牛顿流体的阻力，呈现出所谓“湍流减阻”（Turbulent Drag Reduction）现象。几十年来，它的微观机理也一直困扰着学术界，成为公认的经典学术难题。本质上它与“弹性湍流”组成了“一体两面”的高分子流体湍流动力学问题。于是，基于统一的理论框架和技术平台开展从“弹性湍流”到“湍流减阻”的系统性研究，揭示其转捩机理，将为各种工程应用中的湍流精准调控开辟新思路。

  具有“超长”特征弛豫时间和“超大”链分子尺寸的高分子流体可以使得湍流动力学过程“慢”下来，为深入开展多尺度湍流结构生成演化及相互作用的定量研究，提供了一个独特的突破口。本研究项目围绕“湍流结构的生成演化及作用机理”重大研究计划的总体目标，以建立湍流结构动力学理论为核心，从高分子构象动力学如何影响湍流结构生成的角度研究湍流转捩，以建立多物理场数据融合分析方法开展基于时空多尺度动力学湍流理论、大规模并行计算方法和多物理场原位测量技术的创新。其成果不仅为流体力学、结构流变学、复杂流体与软物质、统计物理等基础学科发展提供新动力，还将为加速诸如核反应堆、粒子加速器和超级计算机等高端复杂装备的节能降耗，增强原油的采收率和长途输运的效率，利用湍流高效剥离二维材料，实现大规模生产极少原子层的石墨烯原材料，优化高强碳纤维先驱体溶液的配方和高速纺丝工艺，提高溶液法大规模生产高分子半导体器件的良率，以及促进涉及珍贵生物样品与检测试剂在高通量微流控芯片实验系统的高效混合等战略性新兴产业发展提供工程科学的理论支撑，具有重要意义。

图1 研究现状、学术挑战、学科发展、解决思路

图2 研究内容、目标、关键科学问题关系图

图3 基于“四步走”—基础理论突破、计算技术创新、实验数据验证、数据驱动发现—系统性创新策略的技术路线流程图

 大规模并行计算湍流减阻案例（梁远飞）

大规模并行计算弹性湍流案例（李远超）