Impact of osmotic pressure on the stability of Taylor vortices
Impact of osmotic pressure on the stability of Taylor vortices
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渗透压对泰勒涡稳定性的影响
DOI：
10.1017/jfm.2021.1101
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发表时间：
2022
影响因子：
3.7
通讯作者：
Martinand, Denis
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Ben Dhia, Rouae;Tilton, Nils;Martinand, Denis
我们使用线性稳定性分析和直接数值模拟来研究模拟旋转动态过滤装置的 Taylor-Couette 配置中离心不稳定性、溶质传输和渗透压之间的耦合。该几何结构由泰勒-库埃特池组成，溶剂在两个半渗透圆柱体上叠加径向流动。两个圆筒完全排斥溶质，从而形成浓度边界层。溶质通过与半渗透圆筒上的浓度差相关的渗透压对速度场产生反作用。我们的结果表明，渗透压的存在强烈改变了离心不稳定性的动力学，并大大降低了观察到泰勒涡旋的临界条件。还发现，随着渗透压进一步增加，流体动力学不稳定性的这种增强最终趋于稳定。我们提出了一种机制来解释渗透和不稳定性如何合作，并制定分析标准来限制渗透促进水动力不稳定性的参数范围。
We use linear stability analysis and direct numerical simulations to investigate the coupling between centrifugal instabilities, solute transport and osmotic pressure in a Taylor–Couette configuration that models rotating dynamic filtration devices. The geometry consists of a Taylor–Couette cell with a superimposed radial throughflow of solvent across two semi-permeable cylinders. Both cylinders totally reject the solute, inducing the build-up of a concentration boundary layer. The solute retroacts on the velocity field via the osmotic pressure associated with the concentration differences across the semi-permeable cylinders. Our results show that the presence of osmotic pressure strongly alters the dynamics of the centrifugal instabilities and substantially reduces the critical conditions above which Taylor vortices are observed. It is also found that this enhancement of the hydrodynamic instabilities eventually plateaus as the osmotic pressure is further increased. We propose a mechanism to explain how osmosis and instabilities cooperate and develop an analytical criterion to bound the parameter range for which osmosis fosters the hydrodynamic instabilities.
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Kyungyoon Min;Richard M. Lueptow
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