方管中颗粒随黏弹性流体迁移的力学特性
发布时间：2021-07-03 20:20
为研究黏弹性流体中颗粒迁移的力学成因,对方管Poiseuille流动中悬浮颗粒的迁移进行数值研究。选用Giesekus模型的黏弹性流体和球形刚性颗粒作为研究对象,忽略流体的惯性效应以研究流体弹性效应和剪切变稀效应对颗粒受力的影响。控制方程采用有限元法和伽辽金-最小二乘法（GLS）方法进行求解,并取得了较好的收敛性。颗粒运动模型采用基于"相对运动模型的准定常算法",对通道中颗粒的横向升力的分布特征进行研究。研究结果表明:颗粒在不同横向位置上所受的横向升力决定了颗粒在实际流动中的迁移方向,且受到流体弹性和剪切变稀的影响。
【文章来源】：轻工机械. 2019,37(05)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
计算模型示意图Figure1Schematicdiagramofcomputationalmodel
式中U为通道中流体平均流速，m/s。2计算结果与分析2．1数值方法验证为了验证GLS型有限元法和相对运动模型的准确性，课题组对颗粒在Couette流动中的运动进行数值模拟，并与Avino的计算结果［15］720进行对比参照，其中Avino使用的是ALE方法进行求解。流动模型如图2所示，取2块相互平行、距离为H的平板，其间充满着Giesekus黏弹性流体;上板CD以Uw的速度沿x轴方向运动，下板静止不动;将一根圆柱置于2板之间某一横向位置并随流体运动。图2Couette流动模型Figure2Couetteflowmodel计算采用的参数为:Wi=1．0，α=0．2，a+=0．1，μs/μp=0．1。在颗粒随着流场运动时，将受到横向升力Fy而横向迁移，并且以一定的角速度旋转。颗粒在Couette流中的稳定旋转速度可由“试凑法”加以确定。图3显示了在不同横向位置上颗粒无量纲旋转速度ω+的横向分布，并与Avino的计算结果［15］720进行了对比。图3颗粒旋转速度ω+的横向分布与Avino计算结果的比较Figure3Comparisonoftransversedistributionofparticlerotationvelocityω+withresultsofAvinocalculation从图3中可以看出，随着颗粒的横向位置逐渐靠近上壁面，旋转速度先以较小幅度减小，在接近上壁面后大幅度减小。课题组计算结果与Avino的结果［15］720误差在允许范围内，因此可以认为相对运动模型和GLS算法具有可靠性。2．2颗粒的横向迁移的力学分析实验结果［16］表明，在方形直管中随着黏弹性流体运动的颗粒，其横向迁移规律具有以下特点:位于剪切率较低的区域的?
腿缤?2所示，取2块相互平行、距离为H的平板，其间充满着Giesekus黏弹性流体;上板CD以Uw的速度沿x轴方向运动，下板静止不动;将一根圆柱置于2板之间某一横向位置并随流体运动。图2Couette流动模型Figure2Couetteflowmodel计算采用的参数为:Wi=1．0，α=0．2，a+=0．1，μs/μp=0．1。在颗粒随着流场运动时，将受到横向升力Fy而横向迁移，并且以一定的角速度旋转。颗粒在Couette流中的稳定旋转速度可由“试凑法”加以确定。图3显示了在不同横向位置上颗粒无量纲旋转速度ω+的横向分布，并与Avino的计算结果［15］720进行了对比。图3颗粒旋转速度ω+的横向分布与Avino计算结果的比较Figure3Comparisonoftransversedistributionofparticlerotationvelocityω+withresultsofAvinocalculation从图3中可以看出，随着颗粒的横向位置逐渐靠近上壁面，旋转速度先以较小幅度减小，在接近上壁面后大幅度减小。课题组计算结果与Avino的结果［15］720误差在允许范围内，因此可以认为相对运动模型和GLS算法具有可靠性。2．2颗粒的横向迁移的力学分析实验结果［16］表明，在方形直管中随着黏弹性流体运动的颗粒，其横向迁移规律具有以下特点:位于剪切率较低的区域的颗粒向通道中心线迁移;位于剪切率较高的区域的颗粒向通道角落迁移。为探究此规律的力学成因，课题组对管道某一横截面上的颗粒受力情况进行数值计算。计算结果的横向升力系数分布如图4所示。图4Wi=0．3时颗粒在横截面上所受横向力的分布Figure4Distributionoftransverseforceoncross
【参考文献】：
期刊论文
[1]颗粒惯性聚集中惯性升力的特性研究[J]. 王企鲲,李海军,李昂,孙仁. 水动力学研究与进展A辑. 2014(05)
本文编号：3263282
【文章来源】：轻工机械. 2019,37(05)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
计算模型示意图Figure1Schematicdiagramofcomputationalmodel
式中U为通道中流体平均流速，m/s。2计算结果与分析2．1数值方法验证为了验证GLS型有限元法和相对运动模型的准确性，课题组对颗粒在Couette流动中的运动进行数值模拟，并与Avino的计算结果［15］720进行对比参照，其中Avino使用的是ALE方法进行求解。流动模型如图2所示，取2块相互平行、距离为H的平板，其间充满着Giesekus黏弹性流体;上板CD以Uw的速度沿x轴方向运动，下板静止不动;将一根圆柱置于2板之间某一横向位置并随流体运动。图2Couette流动模型Figure2Couetteflowmodel计算采用的参数为:Wi=1．0，α=0．2，a+=0．1，μs/μp=0．1。在颗粒随着流场运动时，将受到横向升力Fy而横向迁移，并且以一定的角速度旋转。颗粒在Couette流中的稳定旋转速度可由“试凑法”加以确定。图3显示了在不同横向位置上颗粒无量纲旋转速度ω+的横向分布，并与Avino的计算结果［15］720进行了对比。图3颗粒旋转速度ω+的横向分布与Avino计算结果的比较Figure3Comparisonoftransversedistributionofparticlerotationvelocityω+withresultsofAvinocalculation从图3中可以看出，随着颗粒的横向位置逐渐靠近上壁面，旋转速度先以较小幅度减小，在接近上壁面后大幅度减小。课题组计算结果与Avino的结果［15］720误差在允许范围内，因此可以认为相对运动模型和GLS算法具有可靠性。2．2颗粒的横向迁移的力学分析实验结果［16］表明，在方形直管中随着黏弹性流体运动的颗粒，其横向迁移规律具有以下特点:位于剪切率较低的区域的?
腿缤?2所示，取2块相互平行、距离为H的平板，其间充满着Giesekus黏弹性流体;上板CD以Uw的速度沿x轴方向运动，下板静止不动;将一根圆柱置于2板之间某一横向位置并随流体运动。图2Couette流动模型Figure2Couetteflowmodel计算采用的参数为:Wi=1．0，α=0．2，a+=0．1，μs/μp=0．1。在颗粒随着流场运动时，将受到横向升力Fy而横向迁移，并且以一定的角速度旋转。颗粒在Couette流中的稳定旋转速度可由“试凑法”加以确定。图3显示了在不同横向位置上颗粒无量纲旋转速度ω+的横向分布，并与Avino的计算结果［15］720进行了对比。图3颗粒旋转速度ω+的横向分布与Avino计算结果的比较Figure3Comparisonoftransversedistributionofparticlerotationvelocityω+withresultsofAvinocalculation从图3中可以看出，随着颗粒的横向位置逐渐靠近上壁面，旋转速度先以较小幅度减小，在接近上壁面后大幅度减小。课题组计算结果与Avino的结果［15］720误差在允许范围内，因此可以认为相对运动模型和GLS算法具有可靠性。2．2颗粒的横向迁移的力学分析实验结果［16］表明，在方形直管中随着黏弹性流体运动的颗粒，其横向迁移规律具有以下特点:位于剪切率较低的区域的颗粒向通道中心线迁移;位于剪切率较高的区域的颗粒向通道角落迁移。为探究此规律的力学成因，课题组对管道某一横截面上的颗粒受力情况进行数值计算。计算结果的横向升力系数分布如图4所示。图4Wi=0．3时颗粒在横截面上所受横向力的分布Figure4Distributionoftransverseforceoncross
【参考文献】：
期刊论文
[1]颗粒惯性聚集中惯性升力的特性研究[J]. 王企鲲,李海军,李昂,孙仁. 水动力学研究与进展A辑. 2014(05)
本文编号：3263282
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