粘弹性流体的钝体绕流数值研究
发布时间：2020-11-03 11:08
向水中加入少量可溶性长链高分子聚合物可以得到粘弹性流体。本文通过商用计算软件Fluent的二次开发,对粘弹性流体的各种相关流动进行了仿真模拟。首先本文对比了粘弹性流体裂缝流动精确解与软件仿真计算的结果,之后与文献二维粘弹性流体圆柱绕流仿真结果进行了定量对比,并定性对比了三维粘弹性流体的圆柱绕流的流场特性。这些对比表明本文使用的方法在求解粘弹性流体的各种流动时具有较高的精度和计算稳定性。其次,本文研究了雷诺数为1000的粘弹性流体流经0度到20度攻角的NACA0012翼型的流动,以及雷诺数100的二维、雷诺数300的三维圆柱不同转速的粘弹性流体旋转绕流。这些研究表明在中等雷诺数条件下,聚合物添加会极大地改变流场的流动模式,并使得流场在不同的参数空间(魏森贝格数、翼型攻角、旋转速度)呈现出不同的流动形态。对于所研究的两种流动,在高攻角和高转速的牛顿流体中,尾流场都会变现得不对称并触发钝体产生非零升力系数,而聚合物添加都会使得流场不对称弱化,这主要由于弹性应力的存在会使得流场内压强重新分布。之后本文研究了雷诺数30到500的粘弹性流体的单自由度圆柱绕流涡激振动。研究表明聚合物添加在低雷诺数和中等雷诺数条件下都会起到抑制圆柱涡激振动的效果。具体地,在低雷诺数条件下,聚合物添加会提高涡激振动的触发雷诺数;在中等雷诺数下,本文得出聚合物添加的减振效率与魏森贝格数正相关,而与雷诺数负相关的结论,并获得了它们之间的影响规律。最后一部分,本文用三维大涡模拟模拟了雷诺数10000的细长体钝体绕流。数值模拟的结果表明聚合物添加可以极大地改变流场的三维结构,并使得流场更为规整。在小魏森贝格数时,本文计得到圆柱阻力系数的减小,但在高魏森贝格数,本文的计算结果未得到阻力系数的减小。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O357
【部分图文】：
图 1-1 广义牛顿流体剪切应力与剪切速率关系。存在于我们生活的方方面面。比如，食物的中番茄塑料、润滑油、洗涤剂、生物流体(DNA 溶液、细入水溶性高分子聚合物可以得到粘弹性流体。对于合物的单体的数量多达 O(106)。复杂的分子结构多特性，特别是弹性行为。在牛顿流体中加入少量聚有粘弹性特性，也就是说是一种介于粘性流体与弹溶液的应力不仅取决于溶液粘度作用下的变形速率形的本身。因此粘弹性流体与牛顿流体具有不同的例如挤出胀大效应、Weissenberg 爬杆效应与 Kaye流体分子沿流线方向拉伸而引起的，如图 1-2。另一切稀变效应，由于粘弹性流体的表观粘性会随着剪
2 挤出胀大效应(a)，Weissenberg 效应(b)，Kaye 效应(c)，剪切稀变效应(d48 年 Toms 发现将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状态下的壁面摩擦阻力，减阻量最高可达 50%。这引起了人们的高这种现象被称为添加剂湍流减阻效应或者 Toms 效应[1]。聚合物的减阻机纷纭，比如伪塑说[1]、有效滑移说[2]、湍流脉动抑制说[3-4]、湍流脉动解耦说[6]、应力各向异性说[7]、涡旋稳定说[8]、表面随机更新说[9]等。然而，由有对湍流问题本身有充分深入的认识，这些理论还不足以圆满解释粘弹性阻效应的机理。但聚合物的湍流减阻已经有了很好的应用，比如 1982 年美加输油管道沿程的 4 个不同泵站分别加入了较高浓度的高分子聚合物溶液减阻增输的效果，经测量发现原油流量提高了 25%[10]；在消防水中添加少氧化物，可使消防车龙头喷出的水的扬程提高一倍以上。体绕流是流体力学中的一种重要的基本流动，在工业应用与日常生活方面
不仅粘弹性流体的管道流动的减阻特性被广泛关注，有限雷诺数的粘弹性绕流的增减阻特性也有着较多研究。Coelho & Pinho (2004)[13]的实验研究诺数大于 800 时聚合物添加会起到降低圆柱阻力的效果。聚合物通过降低湍流剪切应力，起到提高钝体背压的效果，从而减小圆柱绕流的阻力。Oga6)[14]的实验研究表明，聚合物添加可以在雷诺数 2000 以上产生减阻效果，发生在雷诺数 7000，减阻量达到了 55%。粘弹性流体有限雷诺数的钝体绕流另一个显着特征是聚合物添加有抑制尾定性的效果。Cressman, Bailey & Goldburg (2001)[15]实验研究了雷诺数大wppm 的聚氧化乙烯(分子量为65 10)聚合物溶液的圆柱绕流，着重观察尾场脉动强度，发现尾流场的脉动强度被极大地减弱。牛顿流体和聚合物溶涡脱落图如图 1-3 所示，在聚合物溶液内，尾流场的尾涡脱落被明显抑制并区域明显拉长。
【参考文献】
本文编号：2868488
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O357
【部分图文】：
图 1-1 广义牛顿流体剪切应力与剪切速率关系。存在于我们生活的方方面面。比如，食物的中番茄塑料、润滑油、洗涤剂、生物流体(DNA 溶液、细入水溶性高分子聚合物可以得到粘弹性流体。对于合物的单体的数量多达 O(106)。复杂的分子结构多特性，特别是弹性行为。在牛顿流体中加入少量聚有粘弹性特性，也就是说是一种介于粘性流体与弹溶液的应力不仅取决于溶液粘度作用下的变形速率形的本身。因此粘弹性流体与牛顿流体具有不同的例如挤出胀大效应、Weissenberg 爬杆效应与 Kaye流体分子沿流线方向拉伸而引起的，如图 1-2。另一切稀变效应，由于粘弹性流体的表观粘性会随着剪
2 挤出胀大效应(a)，Weissenberg 效应(b)，Kaye 效应(c)，剪切稀变效应(d48 年 Toms 发现将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状态下的壁面摩擦阻力，减阻量最高可达 50%。这引起了人们的高这种现象被称为添加剂湍流减阻效应或者 Toms 效应[1]。聚合物的减阻机纷纭，比如伪塑说[1]、有效滑移说[2]、湍流脉动抑制说[3-4]、湍流脉动解耦说[6]、应力各向异性说[7]、涡旋稳定说[8]、表面随机更新说[9]等。然而，由有对湍流问题本身有充分深入的认识，这些理论还不足以圆满解释粘弹性阻效应的机理。但聚合物的湍流减阻已经有了很好的应用，比如 1982 年美加输油管道沿程的 4 个不同泵站分别加入了较高浓度的高分子聚合物溶液减阻增输的效果，经测量发现原油流量提高了 25%[10]；在消防水中添加少氧化物，可使消防车龙头喷出的水的扬程提高一倍以上。体绕流是流体力学中的一种重要的基本流动，在工业应用与日常生活方面
不仅粘弹性流体的管道流动的减阻特性被广泛关注，有限雷诺数的粘弹性绕流的增减阻特性也有着较多研究。Coelho & Pinho (2004)[13]的实验研究诺数大于 800 时聚合物添加会起到降低圆柱阻力的效果。聚合物通过降低湍流剪切应力，起到提高钝体背压的效果，从而减小圆柱绕流的阻力。Oga6)[14]的实验研究表明，聚合物添加可以在雷诺数 2000 以上产生减阻效果，发生在雷诺数 7000，减阻量达到了 55%。粘弹性流体有限雷诺数的钝体绕流另一个显着特征是聚合物添加有抑制尾定性的效果。Cressman, Bailey & Goldburg (2001)[15]实验研究了雷诺数大wppm 的聚氧化乙烯(分子量为65 10)聚合物溶液的圆柱绕流，着重观察尾场脉动强度，发现尾流场的脉动强度被极大地减弱。牛顿流体和聚合物溶涡脱落图如图 1-3 所示，在聚合物溶液内，尾流场的尾涡脱落被明显抑制并区域明显拉长。
【参考文献】
相关硕士学位论文 前1条
1 卢杨;粘弹性流体流固耦合的数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2017年
本文编号：2868488
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