Растворы полимеров в условиях пристенной турбулентности и механизм снижения гтдродинамического сопротивления

Abstract

Приведены результаты полязизационно-оптического исследования пристенного турбулентного течения растворов полиэтиленоксида (ПЭО), которое доказывает наличие сильного деформационного воздействия гидродинамического поля на макромолекулы в определенных зонах пограничного слоя. Представленные в работе экспериментальные результаты являются весьма фундаментальными в плане подтверждения идеи о том, что механизм снижения сопротивления однозначно связан с процессом сильного деформирования макромолекулярных клубков, приводящим к проявлению нелинейных эффектов упругости. Адекватное экспериментальное подтверждение разворачивания макромолекул в условиях пристенной турбулентности сделало очевидным преимущества использования нетурбулентных течений с растяжением для исследования взаимодействия макромолекул с гидродинамическим полем в связи с возможностью экспериментального изучения "аномальных" эффектов в контролируемых условиях и позволило промоделировать основные особенности турбулентного пограничного слоя. Экспериментально изучены поля скоростей и их градиентов, а также степень разворачивания макромолекул во входной области короткого капилляра (в модельных условиях пристенной турбулентности) при течении растворов ПЭО. При сходящемся течении растворов полимеров макромолекулы подвергаются весьма сильному (60%) разворачиванию под действием гидродинамического поля, что в результате приводит к перестройке структуры этого поля. Установлено, что закономерности поведения макромолекул при течении с продольным градиентом скорости и проявляющиеся при этом эффекты упругих деформаций имеют определяющее значение в понимании механизма "аномально" низкого турбулентного трения, наблюдаемого при течении растворов полимеров.

Приведенi результати полярiзацiйно-оптичного дослiдження пристiнної турбулентної течiї розчинiв полiетиленоксида (ПЕО), якi доказують наявнiсть сильного деформацiйного впливу гiдродинамiчного поля на макромолекули у певних зонах приграничного шару. Наданi в роботi експериментальнi результати є фундаментальними в планi пiдтвердження iдеї про те, що механiзм зниження опору однозначно пов`язаний iз процесом сильного деформування макромолекулярных клубкiв, що призводить до прояву нелiнiйних ефектiв пружностi. Адекватне експериментальне пiдтвердження розгортання макромолекул в умовах пристiнної турбулентностi зробило очевидним переваги використання нетурбулентних течiй iз розтягом для дослiдження взаємодiї макромолекул iз гiдродинамiчним полем в зв'язку з можливiстю експериментального вивчення аномальних ефектiв у контрольованих умовах i дозволило промоделювати головнi особливостi турбулентного приграничного шару. Експериментально вивченi поля швидкостей i їхнiх градiєнтiв, а також ступень розгортання макромолекул у вхiднiй областi короткого капiляра (у модельних умовах пристiнної турбулентностi) при течiї розчинiв ПЕО. При течiї, що зходиться, розчинiв полiмерiв макромолекули пiддаються дуже сильному (60%) розгортанню пiд дiєю гiдродинамiчного поля, що в результатi призводить до перебудови структури цього поля. Встановлено, що закономiрностi поведiнки макромолекул при течiї з повздовжним градiєнтом швидкостi та з`являющихся при цьому ефектiв пружних деформацiй мають найголовне значення для розумiння механiзма аномально низького турбулентного тертя, зафiксованого при течiї ростворiв полiмерiв.

The considered experimental data of polarizatin- optical study of wall turbulence of polymer solutions reducing turbulent friction give a convincing confirmation of a strong deformation effect of a hydrodynamic field on macromolecules under wall turbulence. The obtained results support the idea that the mechanism of drag reduction is uniquely related to the process of complete unrolling of macromolecules which cause nonlinear elasticity effects. Velocity and velocity gradient fields arising at the entrance of a small capillary during the free-converging flow (in conditions of near-the-wall turbulence) of aqueous solution of polyethyleneoxide, as well as the degree of the coil-stretch transition of the macromolecule were experimentally studied. The hydrodynamic field arising under the converging flow conditions resulted in a considerable (60%) degree of polymer stretching which, in turn, led to a readjustment of the hydrodynamic field itself. Is established, that regularities of macromolecular in case behaviour of a current with a longitudinal gradient of speed and the effects of elastic deformations have the greatest value for understanding the nature "anomalous" (from the point of view of classical hydromechanics) phenomena - Toms' effect.