粘弹性流体双振荡网格湍流特性实验研究

发布时间：2020-08-14 13:19

【摘要】：粘弹性流体湍流减阻流动是非牛顿流体动力学研究领域的热点问题之一。自Toms发现添加剂湍流减阻现象至今,国内外学者从理论、实验和数值模拟三方面对这一添加剂湍流减阻技术开展了大量的研究工作,取得了显著的研究进展,如湍流减阻机理、最大减阻率渐近线以及减阻技术的工业应用等。但目前仍存在诸多问题有待解决,如提出更为全面的湍流减阻机理、高雷诺数湍流减阻流动大涡数值模拟方法等。当前,学者们对粘弹性流体湍流减阻领域的关注热点在于具有壁面效应的流动中,如管道、槽道和边界层等。壁面的存在将导致流动的不均匀性,研究粘弹性流体分子微观结构与旋涡结构的相互作用则更为复杂。然而,在无壁面效应的各向同性湍流中,流体粘弹性的存在并未改变流动中的动量输运,但却能影响不同尺度间的能量传递过程。因此,研究粘弹性流体各向同性湍流将对湍流减阻流动特性及机理的认识具有重要的学术价值。本文首先采用了双振荡网格同步相向/反向运动的思想,设计了双振荡网格湍流实验系统,实现了高雷诺数近似各向同性湍流。选取典型的具有粘弹性特性的两类减阻剂水溶液—高聚物和表面活性剂水溶液。采用Kinexus Pro系列旋转流变仪测量了减阻水溶液的剪切粘度特性。结果表明,不同浓度的聚丙烯酰胺(PAM)水溶液和聚氧化乙烯(PEO)水溶液的剪切粘度都存在剪切稀变特性,而表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵/水杨酸钠(CTAC/Na Sal)水溶液的剪切粘度展现出了稀变-增稠-再稀变过程。其次,采用粒子图像测试技术(PIV)开展粘弹性流体双振荡网格湍流实验研究,分析了流动速度场特征以及湍流重要参数(如积分尺度、Taylor微尺度、湍动能等);研究结果表明,流体粘弹性的存在显著地影响上述流动参数。提出了基于湍动能来定义流动减阻率的方式,结果显示:在无壁面效应的双振荡网格湍流中,粘弹性流体流动同样表现出较为显著的减阻效果,并发现在CTAC/Na Sal水溶液工况中存在一临界减阻浓度。从湍动能谱和速度能谱阐述了流体粘弹性对能量输运过程的影响。通过速度偏导数的高阶关联函数分析,发现粘弹性流体抑制了流动中的小尺度间歇性。再次,基于PIV数据库,采用本征正交分解(POD)方法和小波变换方法研究双振荡网格湍流中涡结构的多尺度特性。基于POD分析结果发现,对于粘弹性流体流动工况,仅需少量的POD本征函数即可捕捉流动中的相干结构,这说明流动中的相干结构受到了抑制,展现出较为明显的减阻效果。基于Daubechies小波变换研究不同尺度涡结构特性,结果表明:在同一较小分解尺度上,流体粘弹性的存在显著改变了小尺度涡结构特性;此外,在所有分解尺度上,粘弹性流体对间歇性的贡献要小。最后,从网格振荡频率、溶液浓度、减阻剂种类和网格分形特性四个方面出发,研究其对典型减阻溶液流动中经典Kolmogorov p/3标度律、扩展自相似标度律和层次结构标度律的影响规律。发现上述四个参数均影响了流动中的标度律关系,且所有流动工况中的标度指数均偏离了Kolmogorov p/3标度律,并展现出了奇异特性。此外,分析层次结构标度律中的间歇参数,再次发现流体粘弹性的存在抑制了流动中的间歇特性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O373
【图文】：

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【参考文献】