气泡诱导的弹性-惯性湍流转捩：剪切稀化流体中多相流动的失稳机制与能量谱分析

《Journal of Fluid Mechanics》：Bubble-induced transition to elasto-inertial turbulence

本研究针对无外部扰动条件下，矩形通道内粘弹性流体难以自发转捩至弹性-惯性湍流（EIT）的难题，通过界面分辨直接数值模拟，系统探究了气泡注入对层流-湍流转捩的触发机制。研究发现气泡诱导的流线曲率可显著降低EIT发生的临界韦森伯格数（Wicr），在Re=10、Wi=5的极低参数下即可实现湍流态，且多相EIT动能谱呈现-2标度律。该工作为微流动混合强化及湍流控制提供了新范式。

　　

当一滴聚合物溶液在微通道中缓慢流动时，本应保持平静的层流状态，却因一群微小气泡的加入而迸发出湍流般的混沌旋涡。这种在低雷诺数（Re）下由弹性力主导的湍流现象，被称为弹性-惯性湍流（Elasto-Inertial Turbulence, EIT），近年来成为流体力学的热点课题。传统认知中，矩形通道内的粘弹性流体需达到极高韦森伯格数（Wi≥100）才能自发产生EIT，这严重限制了其实际应用。那么，是否存在更高效的湍流触发机制？土耳其科驰大学、芬兰气象研究所及日本冲绳科学技术大学的联合团队在《Journal of Fluid Mechanics》发表的研究，通过令人惊叹的数值模拟技术，揭示了气泡作为“微型扰动器”的独特价值。

为攻克高Wi数值模拟的刚度难题，研究采用有限差分/前沿追踪（Front-Tracking）方法耦合Giesekus本构模型，并引入对数构象（log-conformation）算法确保计算稳定性。主要技术路径包括：（1）建立320×960×320网格的方形通道模型（长宽比12:1）；（2）通过动态调整压力梯度保持恒定流量；（3）采用五阶WENO-Z格式离散对流项；（4）对气泡界面施加64网格/直径的分辨率；（5）设置密度比ρ_o/ρ_i=10、粘度比μ_o/μ_i=80的多相体系。

4.1 单相流中的EIT特性

通过参数扫描发现（图2），当Re≥100时，Wi≥100可触发自发性EIT，且Wi_cr随Re增大而降低。在Re=1000、Wi=1000的极端条件下，瞬时流场呈现典型混沌结构，而时均流场仍保持二次流特征。第一法向应力差（N₁）的“混沌箭头”模式与Q准则涡结构（图3d）共同证实了EIT的多尺度特性。

动能谱分析（图4a）揭示关键规律：当弹性数El=Wi/Re=1时呈现-5/3（惯性区）→-4（耗散区）的双标度；而El=0.1或10时均表现为-3标度，表明弹性与惯性作用的此消彼长。剪切应力分解显示（图4b），高Re时雷诺应力（_R）与粘性应力（_N）、聚合物应力（_P）形成三重平衡，低Re时则以后两者主导。

4.2 多相流EIT的突破性发现

在单相层流条件下（如Re=1000, Wi=5），注入3%体积分数的气泡后，流速信号立即出现湍流脉动（图6a）。气泡产生的流线曲率引发弹性失稳，使Wi_cr降至5以下。尤为重要的是，多相EIT动能谱呈现-2标度律（图9b-d），且该标度与气泡尺寸、数量无关。

气泡分布呈现有趣的空间演化（图7d）：低参数下（Re=10, Wi=1）气泡向中心聚集形成串状排列，流动扰动仅局限于核区；而高Re时气泡随机分布诱发全流域混沌。通过调节Giesekus模型中的迁移因子α（图8a）发现，强剪切稀化（α=0.1）会破坏气泡排列，这与固体颗粒的迁移机制形成鲜明对比。

湍动能（TKE）收支分析（图12）表明：气泡的存在显著平滑近壁梯度，聚合物功（_Wp）在部分区域表现为能量源项；表面张力功（_B）成为不可忽略的贡献项。相较于单相EIT，多相体系呈现更复杂的能量输运格局。

本研究通过严谨的数值实验证实，气泡注入可大幅降低EIT的触发阈值，使湍流在Re=10、Wi=5的极端条件下得以维持。其核心机制在于气泡诱导的流线曲率激活了弹性失稳，而-2标度的动能谱揭示了弹性-惯性耦合作用的新范式。该发现不仅深化了对多相粘弹性流动本质的理解，更为微流控器件、化工混合等领域的流动控制提供了创新思路——通过简单引入气泡即可在低能耗条件下实现高效湍流混合，突破传统高Wi需求的限制。值得注意的是，气泡聚集行为与剪切稀化效应的反直觉关联，预示着软物质多相流中尚存大量未探索的物理图景。