Вода, зажатая между двумя цилиндрами, при вращении внутреннего сначала течёт ровными слоями. Но стоит скорости перейти некую границу, как слои сминаются в кольцевые валики, похожие на стопку бубликов. Физики называют это вихрями Тейлора: течение теряет устойчивость, и в нём появляется регулярный узор. Полимерные добавки, даже в ничтожных количествах, ведут себя как пружинки: они тянутся и сжимаются, придавая жидкости упругость. В новой работе численный эксперимент проверил, как такие пружинки перестраивают порог устойчивости и сам танец вихрей.

Автор моделировал течение в зазоре между цилиндрами, где радиус внутреннего цилиндра в двадцать раз меньше внешнего. В стационарное течение вводился белый шум конечной длительности: случайные толчки всех частот, как если бы по жидкости одновременно ударили множеством крошечных молоточков. Затем компьютер следил, затухнут эти возмущения или разрастутся. Для обычной воды критическое число Рейнольдса, при котором начинается рост, оказалось около 265, что совпадает с линейной теорией. Для слабоупругого раствора порог упал до 202: пружинки дестабилизируют поток.

Но главный сюрприз ждал дальше. При Re = 190 возмущение затухало, при Re = 210 энергия выходила на постоянный уровень, а при Re = 250 росла. В обычной воде после потери устойчивости возникали знакомые кольцевые вихри Тейлора. В полимерном растворе формировались винтовые вихри: спиральные структуры, закрученные вдоль оси цилиндров, как резьба шурупа. Раньше такие вихри в ньютоновской жидкости появлялись только при вращении обоих цилиндров в противоположные стороны. Упругость молекул полимера имитирует этот эффект, хотя внешний цилиндр остаётся неподвижным.

До этой работы было неясно, подтверждается ли нелинейным моделированием предсказание линейной теории о конкуренции мод. Теперь прямое численное моделирование показало: при K = 0.1 критическое число Рейнольдса снижается до 202, и при сверхкритических условиях формируются винтовые вихри, а не вихри Тейлора. Автор ввёл в стационарное течение белый шум конечной длительности и проследил нелинейную эволюцию энергии возмущения до установления вторичного течения. Результаты можно использовать для верификации моделей вязкоупругих жидкостей и для прогнозирования порога неустойчивости в технологических потоках полимеров.

Полимерные нити, как пружинки, перестраивают танец вихрей: вместо стопки бубликов появляется резьба шурупа. Это открытие важно для смешивания, нанесения покрытий и транспортировки полимерных растворов по трубам. Понимание порога неустойчивости и типа возникающих вихрей поможет предсказывать переход к турбулентности и управлять им. В следующих экспериментах стоит проверить, как поведут себя реальные растворы, где эффекты могут быть ещё сложнее, чем в модели.