發(fā)布時(shí)間：2020-11-03 11:08

　　 向水中加入少量可溶性長(zhǎng)鏈高分子聚合物可以得到粘彈性流體。本文通過(guò)商用計(jì)算軟件Fluent的二次開(kāi)發(fā),對(duì)粘彈性流體的各種相關(guān)流動(dòng)進(jìn)行了仿真模擬。首先本文對(duì)比了粘彈性流體裂縫流動(dòng)精確解與軟件仿真計(jì)算的結(jié)果,之后與文獻(xiàn)二維粘彈性流體圓柱繞流仿真結(jié)果進(jìn)行了定量對(duì)比,并定性對(duì)比了三維粘彈性流體的圓柱繞流的流場(chǎng)特性。這些對(duì)比表明本文使用的方法在求解粘彈性流體的各種流動(dòng)時(shí)具有較高的精度和計(jì)算穩(wěn)定性。其次,本文研究了雷諾數(shù)為1000的粘彈性流體流經(jīng)0度到20度攻角的NACA0012翼型的流動(dòng),以及雷諾數(shù)100的二維、雷諾數(shù)300的三維圓柱不同轉(zhuǎn)速的粘彈性流體旋轉(zhuǎn)繞流。這些研究表明在中等雷諾數(shù)條件下,聚合物添加會(huì)極大地改變流場(chǎng)的流動(dòng)模式,并使得流場(chǎng)在不同的參數(shù)空間(魏森貝格數(shù)、翼型攻角、旋轉(zhuǎn)速度)呈現(xiàn)出不同的流動(dòng)形態(tài)。對(duì)于所研究的兩種流動(dòng),在高攻角和高轉(zhuǎn)速的牛頓流體中,尾流場(chǎng)都會(huì)變現(xiàn)得不對(duì)稱并觸發(fā)鈍體產(chǎn)生非零升力系數(shù),而聚合物添加都會(huì)使得流場(chǎng)不對(duì)稱弱化,這主要由于彈性應(yīng)力的存在會(huì)使得流場(chǎng)內(nèi)壓強(qiáng)重新分布。之后本文研究了雷諾數(shù)30到500的粘彈性流體的單自由度圓柱繞流渦激振動(dòng)。研究表明聚合物添加在低雷諾數(shù)和中等雷諾數(shù)條件下都會(huì)起到抑制圓柱渦激振動(dòng)的效果。具體地,在低雷諾數(shù)條件下,聚合物添加會(huì)提高渦激振動(dòng)的觸發(fā)雷諾數(shù);在中等雷諾數(shù)下,本文得出聚合物添加的減振效率與魏森貝格數(shù)正相關(guān),而與雷諾數(shù)負(fù)相關(guān)的結(jié)論,并獲得了它們之間的影響規(guī)律。最后一部分,本文用三維大渦模擬模擬了雷諾數(shù)10000的細(xì)長(zhǎng)體鈍體繞流。數(shù)值模擬的結(jié)果表明聚合物添加可以極大地改變流場(chǎng)的三維結(jié)構(gòu),并使得流場(chǎng)更為規(guī)整。在小魏森貝格數(shù)時(shí),本文計(jì)得到圓柱阻力系數(shù)的減小,但在高魏森貝格數(shù),本文的計(jì)算結(jié)果未得到阻力系數(shù)的減小。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O357
【部分圖文】：

圖 1-1 廣義牛頓流體剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系。存在于我們生活的方方面面。比如，食物的中番茄塑料、潤(rùn)滑油、洗滌劑、生物流體(DNA 溶液、細(xì)入水溶性高分子聚合物可以得到粘彈性流體。對(duì)于合物的單體的數(shù)量多達(dá) O(106)。復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)多特性，特別是彈性行為。在牛頓流體中加入少量聚有粘彈性特性，也就是說(shuō)是一種介于粘性流體與彈溶液的應(yīng)力不僅取決于溶液粘度作用下的變形速率形的本身。因此粘彈性流體與牛頓流體具有不同的例如擠出脹大效應(yīng)、Weissenberg 爬桿效應(yīng)與 Kaye流體分子沿流線方向拉伸而引起的，如圖 1-2。另一切稀變效應(yīng)，由于粘彈性流體的表觀粘性會(huì)隨著剪

2 擠出脹大效應(yīng)(a)，Weissenberg 效應(yīng)(b)，Kaye 效應(yīng)(c)，剪切稀變效應(yīng)(d48 年 Toms 發(fā)現(xiàn)將少量聚甲基丙烯酸甲酯(高分子聚合物)添加到氯苯中可小湍流狀態(tài)下的壁面摩擦阻力，減阻量最高可達(dá) 50%。這引起了人們的高這種現(xiàn)象被稱為添加劑湍流減阻效應(yīng)或者 Toms 效應(yīng)[1]。聚合物的減阻機(jī)紛紜，比如偽塑說(shuō)[1]、有效滑移說(shuō)[2]、湍流脈動(dòng)抑制說(shuō)[3-4]、湍流脈動(dòng)解耦說(shuō)[6]、應(yīng)力各向異性說(shuō)[7]、渦旋穩(wěn)定說(shuō)[8]、表面隨機(jī)更新說(shuō)[9]等。然而，由有對(duì)湍流問(wèn)題本身有充分深入的認(rèn)識(shí)，這些理論還不足以圓滿解釋粘彈性阻效應(yīng)的機(jī)理。但聚合物的湍流減阻已經(jīng)有了很好的應(yīng)用，比如 1982 年美加輸油管道沿程的 4 個(gè)不同泵站分別加入了較高濃度的高分子聚合物溶液減阻增輸?shù)男Ч�，�?jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)原油流量提高了 25%[10]；在消防水中添加少氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚(yáng)程提高一倍以上。體繞流是流體力學(xué)中的一種重要的基本流動(dòng)，在工業(yè)應(yīng)用與日常生活方面

不僅粘彈性流體的管道流動(dòng)的減阻特性被廣泛關(guān)注，有限雷諾數(shù)的粘彈性繞流的增減阻特性也有著較多研究。Coelho & Pinho (2004)[13]的實(shí)驗(yàn)研究諾數(shù)大于 800 時(shí)聚合物添加會(huì)起到降低圓柱阻力的效果。聚合物通過(guò)降低湍流剪切應(yīng)力，起到提高鈍體背壓的效果，從而減小圓柱繞流的阻力。Oga6)[14]的實(shí)驗(yàn)研究表明，聚合物添加可以在雷諾數(shù) 2000 以上產(chǎn)生減阻效果，發(fā)生在雷諾數(shù) 7000，減阻量達(dá)到了 55%。粘彈性流體有限雷諾數(shù)的鈍體繞流另一個(gè)顯著特征是聚合物添加有抑制尾定性的效果。Cressman, Bailey & Goldburg (2001)[15]實(shí)驗(yàn)研究了雷諾數(shù)大wppm 的聚氧化乙烯(分子量為65 10)聚合物溶液的圓柱繞流，著重觀察尾場(chǎng)脈動(dòng)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)尾流場(chǎng)的脈動(dòng)強(qiáng)度被極大地減弱。牛頓流體和聚合物溶渦脫落圖如圖 1-3 所示，在聚合物溶液內(nèi)，尾流場(chǎng)的尾渦脫落被明顯抑制并區(qū)域明顯拉長(zhǎng)。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 盧楊;粘彈性流體流固耦合的數(shù)值模擬研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

本文編號(hào)：2868488