粘彈性流體的鈍體繞流數(shù)值研究
發(fā)布時間：2020-11-03 11:08
向水中加入少量可溶性長鏈高分子聚合物可以得到粘彈性流體。本文通過商用計算軟件Fluent的二次開發(fā),對粘彈性流體的各種相關流動進行了仿真模擬。首先本文對比了粘彈性流體裂縫流動精確解與軟件仿真計算的結(jié)果,之后與文獻二維粘彈性流體圓柱繞流仿真結(jié)果進行了定量對比,并定性對比了三維粘彈性流體的圓柱繞流的流場特性。這些對比表明本文使用的方法在求解粘彈性流體的各種流動時具有較高的精度和計算穩(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,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,聚合物添加會極大地改變流場的流動模式,并使得流場在不同的參數(shù)空間(魏森貝格數(shù)、翼型攻角、旋轉(zhuǎn)速度)呈現(xiàn)出不同的流動形態(tài)。對于所研究的兩種流動,在高攻角和高轉(zhuǎn)速的牛頓流體中,尾流場都會變現(xiàn)得不對稱并觸發(fā)鈍體產(chǎn)生非零升力系數(shù),而聚合物添加都會使得流場不對稱弱化,這主要由于彈性應力的存在會使得流場內(nèi)壓強重新分布。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。研究表明聚合物添加在低雷諾數(shù)和中等雷諾數(shù)條件下都會起到抑制圓柱渦激振動的效果。具體地,在低雷諾數(shù)條件下,聚合物添加會提高渦激振動的觸發(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,而與雷諾數(shù)負相關的結(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的細長體鈍體繞流。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的三維結(jié)構(gòu),并使得流場更為規(guī)整。在小魏森貝格數(shù)時,本文計得到圓柱阻力系數(shù)的減小,但在高魏森貝格數(shù),本文的計算結(jié)果未得到阻力系數(shù)的減小。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O357
【部分圖文】：
圖 1-1 廣義牛頓流體剪切應力與剪切速率關系。存在于我們生活的方方面面。比如，食物的中番茄塑料、潤滑油、洗滌劑、生物流體(DNA 溶液、細入水溶性高分子聚合物可以得到粘彈性流體。對于合物的單體的數(shù)量多達 O(106)。復雜的分子結(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，也就是說是一種介于粘性流體與彈溶液的應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、Weissenberg 爬桿效應與 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，由于粘彈性流體的表觀粘性會隨著剪
2 擠出脹大效應(a)，Weissenberg 效應(b)，Kaye 效應(c)，剪切稀變效應(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 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或者 Toms 效應[1]。聚合物的減阻機紛紜，比如偽塑說[1]、有效滑移說[2]、湍流脈動抑制說[3-4]、湍流脈動解耦說[6]、應力各向異性說[7]、渦旋穩(wěn)定說[8]、表面隨機更新說[9]等。然而，由有對湍流問題本身有充分深入的認識，這些理論還不足以圓滿解釋粘彈性阻效應的機理。但聚合物的湍流減阻已經(jīng)有了很好的應用，比如 1982 年美加輸油管道沿程的 4 個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程提高一倍以上。體繞流是流體力學中的一種重要的基本流動，在工業(yè)應用與日常生活方面
不僅粘彈性流體的管道流動的減阻特性被廣泛關注，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]的實驗研究諾數(shù)大于 800 時聚合物添加會起到降低圓柱阻力的效果。聚合物通過降低湍流剪切應力，起到提高鈍體背壓的效果，從而減小圓柱繞流的阻力。Oga6)[14]的實驗研究表明，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，減阻量達到了 55%。粘彈性流體有限雷諾數(shù)的鈍體繞流另一個顯著特征是聚合物添加有抑制尾定性的效果。Cressman, Bailey & Goldburg (2001)[15]實驗研究了雷諾數(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，著重觀察尾場脈動強度，發(fā)現(xiàn)尾流場的脈動強度被極大地減弱。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)，尾流場的尾渦脫落被明顯抑制并區(qū)域明顯拉長。
【參考文獻】
本文編號：2868488
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O357
【部分圖文】：
圖 1-1 廣義牛頓流體剪切應力與剪切速率關系。存在于我們生活的方方面面。比如，食物的中番茄塑料、潤滑油、洗滌劑、生物流體(DNA 溶液、細入水溶性高分子聚合物可以得到粘彈性流體。對于合物的單體的數(shù)量多達 O(106)。復雜的分子結(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，也就是說是一種介于粘性流體與彈溶液的應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、Weissenberg 爬桿效應與 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，由于粘彈性流體的表觀粘性會隨著剪
2 擠出脹大效應(a)，Weissenberg 效應(b)，Kaye 效應(c)，剪切稀變效應(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 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或者 Toms 效應[1]。聚合物的減阻機紛紜，比如偽塑說[1]、有效滑移說[2]、湍流脈動抑制說[3-4]、湍流脈動解耦說[6]、應力各向異性說[7]、渦旋穩(wěn)定說[8]、表面隨機更新說[9]等。然而，由有對湍流問題本身有充分深入的認識，這些理論還不足以圓滿解釋粘彈性阻效應的機理。但聚合物的湍流減阻已經(jīng)有了很好的應用，比如 1982 年美加輸油管道沿程的 4 個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程提高一倍以上。體繞流是流體力學中的一種重要的基本流動，在工業(yè)應用與日常生活方面
不僅粘彈性流體的管道流動的減阻特性被廣泛關注，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]的實驗研究諾數(shù)大于 800 時聚合物添加會起到降低圓柱阻力的效果。聚合物通過降低湍流剪切應力，起到提高鈍體背壓的效果，從而減小圓柱繞流的阻力。Oga6)[14]的實驗研究表明，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，減阻量達到了 55%。粘彈性流體有限雷諾數(shù)的鈍體繞流另一個顯著特征是聚合物添加有抑制尾定性的效果。Cressman, Bailey & Goldburg (2001)[15]實驗研究了雷諾數(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，著重觀察尾場脈動強度，發(fā)現(xiàn)尾流場的脈動強度被極大地減弱。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)，尾流場的尾渦脫落被明顯抑制并區(qū)域明顯拉長。
【參考文獻】
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1 盧楊;粘彈性流體流固耦合的數(shù)值模擬研究[D];中國科學技術(shù)大學;2017年
本文編號：2868488
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