非牛顿流体在分离旋流器内流场特性研究

运用计算流体动力学(CFD)方法分别对旋流器内非牛顿流体与牛顿流体的流场分别进行数值模拟.分析采用RSM(SSG)雷诺应力模型,得到非牛顿流体与牛顿流体的速度场、压力场以及表观粘度分布规律.研究结果揭示了非牛顿流体在分离旋流器内的流场特性:由于受非牛顿流体表现粘度随剪切速率变化的影响,在同一位置处,非牛顿流体的静压力、...     

非牛顿流体在分离旋流器内流场特性研究

本文运用计算流体动力学（CFD）方法对旋流器内非牛顿流体与牛顿流体的流场分别进行数值模拟。分析采用RSM(SSG)雷诺应力模型,得到非牛顿流体与牛顿流体的速度场、压力场以及表观粘度分布规律。研究结果揭示了非牛顿流体在分离旋流器内的流场特性：由于受非牛顿流体表观粘度随剪切速率变化的影响,在同一位置处非牛顿流体的静压力、轴向速度以及径向速度都大于牛顿流体,而切向速度小于牛顿流体;同时旋流器内非牛顿流体的零轴速包络面（LZVV）比牛顿流体的更加靠近器壁,这导致旋流器中非牛顿流体在同等条件下比牛顿流体的分离效率低;以上这些特性为进一步充分认识用于分离非牛顿流体的旋流器分离机理提供依据。     

非牛顿流体沿竖直平板自由下落液膜的计算

建立了非牛顿流体沿竖直平板自由下落液膜传热的数学模型,并采用三种数值计算方法对幂次非牛顿流体沿竖直平板的自由下落层流液膜进行了计算,三种数值方法的计算结果均较好.     

微流控芯片通道结构的拓扑优化研究

为了研究拓扑优化过程中非牛顿流体黏性效应对微流控芯片通道结构设计及布局的影响,针对不同流动长度设计域的"两进一出"型微通道结构,提出了拓扑结构最优设计的新思路。采用密度法分别对牛顿流体和非牛顿流体进行微流动结构拓扑优化,分析了以压力降函数和能量耗散函数这2种不同目标函数对拓扑结构的影响,比较了各个条件下的最优结构和黏性分布。对于非牛顿流体,采用改进的Cross黏性模型进行计算,结果表明:当目标函数为压力降时,非牛顿流体黏性效应在雷诺数Re为0.1(Stokes流动)时表现为进口双管的汇合点与流道长度无关,在Re为100(Navier-Stokes流动)时,非牛顿流体与牛顿流体的最优拓扑结构相似,进口管的汇合点都随着通道长度的增加而后延;当目标为最小能量耗散时,非牛顿流体黏性效应在Re为0.1时表现为流动进口角度随流道长度增加而减小,而在牛顿流体最优拓扑结构中,设计域出口处均为双管流出,其中在短管和方管中没有出现汇合点,在长管中进口双管汇合为单管后又分流形成椭圆环状结构。     

非牛顿流体的点接触弹流润滑理论与实验研究

为研究等温条件下幂函数非牛顿流体的弹流润滑特性,基于Ostwald本构模型,采用普适流体润滑方程来求解非牛顿流体润滑问题,探讨了等温、稳态条件下流变指数、载荷、卷吸速度等参数对点接触弹流润滑特性的影响,并与相同工况下牛顿流体弹流润滑的结果进行了比较.再以某一特定流变指数的流体进行弹流润滑实验测量其膜厚,分析卷吸速度和载荷对膜厚的影响.结果表明:润滑剂的非牛顿性越显著,润滑膜厚会越小,压力分布会越接近Hertz接触应力分布,载荷和卷吸速度对非牛顿流体的润滑膜厚及压力分布的影响比对牛顿流体的影响要小.同工况下,非牛顿流体的膜厚均小于牛顿流体的膜厚.从实验测量结果与数值计算结果对比分析可以得出,卷吸速度和载荷对膜厚的影响趋势基本吻合.     

牛顿流体在圆管内湍流流动剪切率的近似计算

根据剪切率的定义导出了描述湍流流动剪切率与时均流剪切率和脉动流剪切率关系的基本方程 ,该关系式与流体的流变性类型无关 ,适用于牛顿流体和非牛顿流体。根据不可压缩牛顿流体湍流剪切率与能量耗散率的关系和湍流能量耗散率的近似算法 ,得出了不可压缩牛顿流体在圆管内湍流流动剪切率及脉动流剪切率的实用算式 ,计算所得湍流剪切率及脉动流剪切率的分布特征与已知实验规律相符。     

牛顿流体在圆管内湍流流动剪切率的近似计算

根据剪切率的定义导出了描述湍流流动剪切率与时均流剪切率和脉动流剪切率关系的基本方程,该关系式与流体的流变性类型无关,适用于牛顿流体和非牛顿流体.根据不可压缩牛顿流体湍流剪切率与能量耗散率的关系和湍流能量耗散率的近似算法,得出了不可压缩牛顿流体在圆管内湍流流动剪切率及脉动流剪切率的实用算式,计算所得湍流剪切率及脉动流剪切率的分布特征与已知实验规律相符.     

搅拌槽内非牛顿流体流动场的数值模拟

对搅拌槽内非牛顿流体湍流流动的数值研究还很缺乏.文中尝试利用k-ε模型计算了假塑性流体羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液在搅拌槽内的三维流动场,并与粒子成像测速(PIV)法测得的实验结果进行了比较.计算结果表明,非牛顿流体CMC水溶液的宏观流动场与牛顿流体(水)的流动场有较大差异,主要是主体流动减弱,并在叶端附近形成涡旋流动.主体流动区内的速度分布与PIV测量结果吻合较好.剪切速率在槽内的分布相差较大,桨叶附近与槽壁处的剪切速率较大,在主体流动区域较小.     

竖直圆柱空间多孔介质中非牛顿流体自然对流

建立了封闭圆柱空间多孔介质中非牛顿流体自然对流的数学模型，通过理分析和数值计算，获得了在不同达西－瑞利数Ｒａ和不同流变指数ｎ下，非牛顿流体的流变特性，Ｎｕ随Ｒａ和ｎ的变化规律，以及Ｒａ和ｎ对流场和温度场的影响。     

激光实时全息干涉法测量精氨酸在PAM水溶液中的扩散系数

非牛顿流体是普遍存在的,而目前扩散理论的研究仅限于牛顿流体。为进一步对非牛顿流体中的扩散行为进行研究,利用激光实时全息干涉技术,测量了298.15 K时精氨酸在0.05%(质量分率)PAM水溶液中的扩散系数。测量结果表明,随精氨酸浓度的增大,扩散系数减小,接近线性变化;且与精氨酸在水溶液中扩散系数的变化趋势一致,但也表现出了PAM溶液的非牛顿流体特性。     

基于流变协同机制的粘弹性非牛顿流体耦合流动与传热问题研究

非牛顿流体在化工、食品、石油及生物工程等许多领域有广泛的应用。人们在非牛顿流体流变特性研究方面已经取得了很大进展,但是对于剪切流动过程中质能传递特性的研究仍然欠缺,多年来一直照搬牛顿流体情况来处理。事实上,在剪切流动中其热、质通过流体微团来输运,非牛顿流体的流变机制不同必然要影响到其质能传递特性的不同。作者基于多年非牛顿流体复杂流动与传热、传质的研究工作,提出非牛顿流体热质输运遵循流变协同机制,应该基于非牛顿流体的流变特性来构建其热质输运本构关系模型。该文以上随体导数Maxwell粘弹性非牛顿流体模型为例,考虑到Maxwell流体的松弛特性,引入Cattaneo-Christov热通量公式,原创性提出基于粘弹性流体流变协同的传热本构方程模型,并推导出基于该本构模型下的粘弹性流体边界层耦合流动与传热问题非线性偏微分方程组。引入适当相似变换及利用同伦分析方法求解得到了问题的近似解,并讨论了相关参数对于流动与传热的影响。     

非牛顿流体的差分方法研究

用解析方法求解非牛顿流体的流动方程是非常困难的,工程上通常采用有限差分方法对其进行数值求解。为避免用势梯度分量差分方法求解非牛顿流体渗流问题所带来的偏差,提出了求解非牛顿流体渗流问题的势梯度模差分方法;从理论上分析了势梯度分量差分方法存在的缺陷,即非牛顿流体的渗流微分方程与之相对应的分量差分方程不相容。最后以Bingham原油为例揭示了二种方法在数值上的差别。     

基于VOF方法的砂土液化后流动变形分析

将液化后砂土分别视为牛顿流体和剪切变稀非牛顿流体,采用计算流体动力学中的流体体积(VOF)法,研究了饱和砂土液化后的自由流动变形形态,分析了黏度、稠度系数及流动指数等参数对砂土流动变形特性的影响.计算结果与物理模型试验对比发现:该方法能够较好重现模型试验中液化砂土的竖向沉降与侧向流滑等流动变形形态,但流体性质对液化砂土的流动速度有较大影响.分析表明:将液化后砂土视为牛顿流体,黏度越大,其抵抗变形能力越强,流动变形速度越小;将液化砂土视为剪切变稀非牛顿流体,稠度系数越大,流动指数越小,液化砂土整体的流动变形速度越小.     

非牛顿冶金熔渣流变特性的研究进展

冶金熔渣的研究以往大多是建立在牛顿流体的基础上,得到的结论具有一定的局限性.由于气、固相质点存在等原因,许多冶金熔渣表现出非牛顿流体的流变特性.文中针对非牛顿冶金熔渣的流变特性,对其测试方法、影响因素以及其粘度计算模型等方面进行了总结性阐述,为进一步深入研究含钛高炉渣的物化性能提供了思路.     

对本构方程书写形式的探讨

在研究非牛顿流体圆管和环空管流层流流动问题时,确定其速度分布是关键。对于非牛顿流体圆管和环空流动问题,有些文献中的推导结论有错误,原因是混淆了运动方程和非牛顿流体本构方程中的切应力概念。为了解决此问题,在分析流体运动方程中各项物理意义的基础上,给出了一种统一的本构方程的书写形式,用于研究非牛顿流体圆管和环空管流层流流动规律。应用结果表明,该方法物理意义明确,容易得出有关流动的正确解。     

基于孔隙分布的幂律流体剪切速率算法

随着非牛顿流体在各领域的广泛应用,对非牛顿流体在多孔介质内所受剪切速率的计算变得日益重要。综述了多孔介质条件下幂律流体剪切速率的计算方法,分析了各剪切速率的物理意义,发现现有算法大部分未充分考虑孔隙结构对剪切速率的影响。通过毛细管束渗流模型的理论推导,提出了考虑孔隙分布的幂律流体数均剪切速率、体均剪切速率和黏均剪切速率算法。将该算法用于研究聚合物在高渗砂岩中的渗流规律,计算了低分子量聚合物在渗透率相近但孔隙结构不同的岩心内流动时的表观黏度。与传统算法的计算结果和实验测定结果相比较,论证本算法的准确性。     

基于流体力学方法的液化后砂土流滑推桩效应

采用计算流体动力学(CFD)中的流体体积(VOF)方法和固体力学中的有限元法,对液化后砂土流滑的推桩效应进行研究.将液化后砂土分别视为牛顿流体和剪切稀化非牛顿流体,将单桩视为线弹性结构,分析了牛顿流体黏度、非牛顿流体稠度系数和流动指数对推桩效应的影响.研究结果表明:将液化后砂土视为牛顿流体,则距离桩顶越近,桩身位移越大,距离桩底越近,桩身应力就越大;随着液化后砂土黏度的增大,桩身位移和应力也越大,曲线间差距则越来越小;将液化后砂土视为剪切稀化流体,沿桩身的响应规律与牛顿流体一致;稠度系数和流动指数的变化只会影响桩身位移和应力数值的变化,对变形方式不会产生影响.     

幂律非牛顿流体流动的有限体积算法

以幂律非牛顿流体为研究对象,针对其表观黏度随剪切速率变化且计算过程有别于牛顿流体的特殊困难,提出了一种高精度格式的有限体积计算方法。对其中应力计算时可能出现的"零障碍"和"无限大障碍"奇点问题,采用限定表观黏度数值变化范围的方法以防止迭代计算过程中出现除零和除无穷问题,并给出了完整的计算方法。计算了幂律流体在圆管和突扩圆管中的层流流动,验证了该计算方法的有效性。并分析了幂律流体的流动指数对圆管和突扩圆管中层流流动的影响。     

非牛顿液体粘度的在线测量方法

针对现有粘度测量装置无法满足在线和非侵入测量要求问题，在传统电磁流量计引入层析成像技术，对牛顿流体和纯粘性非牛顿流体粘度实现非侵入、可在线测量的基础上，经理论分析，提出了在线测量粘塑性非牛顿流体的新方法，通过对各类粘塑性流体的仿真研究和误差分析，证明了该方法的可行性。     

对本构方程书写形式的探讨

在研究非牛顿流体圆管和环空管流层流流动问题时，确定其速度分布是关键。对于非牛顿流体圆管和环空流动问题，有些文献中的推导结论有错误，原因是混淆了运动方程和非牛顿流体本构方程中的切应力概念。为了解决此问题，在分析流体运动方程中各项物理意义的基础上，给出了一种统一的本构方程的书写形式，用于研究非牛顿流体圆管和环空管流层流流动规律。应用结果表明，该方法物理意义明确，容易得出有关流动的正确解。