复杂流体边界层剪切流动中传热传质研究

发布时间：2019-07-31 10:43

【摘要】：复杂流体在剪切流动中往往会表现出反常的热质传递行为。传统的简单线性本构模型不能有效描述这些传递行为,需要构建新的复杂非线性本构模型。本文主要研究高分子幂律型非牛顿流体,分散微、纳颗粒悬浮液等几类复杂流体在边界层剪切流动中的传热传质问题。引入广义幂律扩散理论与模型(N-diffusion)统一描述幂律型非牛顿流体的非线性流变与导热本构关系,并计算解决幂律流体在诸如倾斜壁面、运动壁面、抽吸/喷注、非均匀加热壁面等条件下的混合对流传热问题。幂律指数调控流体独特的非牛顿性质,其他外部条件对不同幂律流体具有相似影响。特别是利用该模型首次描述微极流体在剪切流动中因颗粒微旋转的集合效应而表现出的宏观剪切变稀特征,推广传统的线性本构模型而得到非线性的流变和导热本构关系。自主设计研发"复杂流体流变和导热一体化测试系统",首次从实验设计上实现同时监测剪切流动中的复杂流体流变和导热性能数据。通过对具体幂律型流体的实验测量和理论计算,所得结果很好的验证了广义幂律扩散模型在描述非牛顿流体依赖剪切速率热导率变化的合理性和有效性。对于粘弹性Maxwell基液分散微球的悬浮液,首次引入Cattaneo-Christov热质松弛传递本构模型,建立粘弹基微球悬浮液边界层剪切流动与传热传质的粘弹性松弛参数框架,完整地描述其反常输运过程。此外,在静态纳米流体强化热传导模型问题中,本文基于纳米颗粒界面有序层理论首次提出颗粒多级等效团聚模型。利用该模型所改进的纳米流体增强热导率预测结果不仅与许多经典实验数据很好的吻合,而且重要的组成参数,如颗粒团聚率和界面层厚度等,均证明处在合理的范围。进一步,对于非稳态剪切流动的纳米流体,本文引入依赖时间分形团聚动力学过程,将复杂的颗粒团聚效应通过分形标度律形式嵌入到纳米流体有效粘度和热导率模型中。同时定义特征时间比,巧妙地将纳米颗粒非平衡态团聚过程与纳米流体非稳态热对流过程紧密联系到一起,详细地分析了时间、分形维数及初始颗粒浓度等因素对纳米流体流动与传热的影响,特别是提出预测动量和热焓边界层厚度的经验公式。本文对一些物理问题的控制方程采取数学上必要的相似变换,在结合近似解析方法与数值方法等计算手段求解目标方程时,克服复杂本构模型带来的高度非线性难题,可方便地讨论众多物理参数对复杂流体反常输运特性的影响。
【图文】：

同气体相比，液体内部的分子热运动要相对固定，只在平衡位us附近运动，逡逑但会很大程度上受到各种外部剪切作用而产生流动的影响。人类最先从认识简单逡逑流体，或叫牛顿流体，诸如水、甘油、醇类等，开启了对流体家族的探索与研究。逡逑随着人类社会的发展，人们认识到越来越多新的流体表现出不同于往的奇特性逡逑质而将其称为非牛顿流体，或是复杂流体，徏便是本文所研究的对象。逡逑实豚上，非牛顿流体的种类十分繁多且广泛地分布在自然界、生物界Ｗ及人逡逑类社会生活发展的全程之中。在当前社会，对于其独特性质的研究己经逐渐形成逡逑了一口前沿热点学科，并在现代科学研巧和工程技术应用中占有重要位置。可Ｗ逡逑说自然界中绝大多数生物流体都属于非牛顿流体，，如各类动物体内的血液、关节逡逑滑液、淋己液、脑脊液等。在过去几十年中，高分子工业的迅速发展，引起了科逡逑学家们对研究高分子材料的兴趣。在化学工业中的高分子巧体和烙液，各类泥浆逡逑和悬浮液、油漆、涂料、颜料等，均属非牛顿流体。非牛顿流体在许多工业生逡逑产和应用科学领域中都有重要应用（图２－１），包括水利，航空航天，冶金工业、逡逑化学纤维工业、塑料工业、石油工业、化学工业、轻工业、食品工业、医学等领逡逑域，非牛顿流体力学的研究对送些工业的发展具有重大的现实意义［１，２１逡逑

切速率X椉佣�减小，称之为剪切稀化，如}炯谆�纤维素盐溶液（ＣＭＣ）、聚己稀醇逡逑溶液（ＰＶＡ）等高分子溶液；当时，流体的表观枯度随剪切速率增加而增大，逡逑称之为剪切增稠，如玉米淀粉溶液、漏�

本文编号：2521268