大曲率弯道中拟塑性非牛顿流体的湍流流动研究

发布时间：2019-03-21 06:43

【摘要】：弯道湍流是内流流体力学和流体工程中复杂流动的一个具有代表性的原型问题,迄今为止,弯道中非牛顿流体的湍流问题研究仍然是几近空白。拟塑性流体是化学工业中极常见的一种非牛顿流体,其表观黏度随着剪切速率的增大而减小,具有剪切稀化的特性。目前已可见到国内外学者对圆管和矩形截面直管道中拟塑性流体湍流的实验测量与数值模拟研究的报道,但针对弯道流动而言,非牛顿流体流动的研究远不如牛顿流体流动充分。为此,本文采用实验测量与数值计算相结合的方法研究大曲率方截面弯道中拟塑性非牛顿流体的湍流流动,试图弥补当前国内外研究与认识上的不足之处。本文的主要内容如下：(1)大曲率弯道中拟塑性流体流动的实验测量研究采用剪切稀化特性明显的羧甲基纤维素钠(CMC)溶液作为实验介质,在流变学物性测量的基础上,使用超声多普勒测速仪(UDV)和高精度高分辨压力传感器详细测量了大曲率方截面弯道中拟塑性流体湍流的平均流场和湍流脉动特性。实验观察了层流和湍流状态下弯道各截面内CMC溶液流动不均匀性的特征,并与牛顿流体的经典弯管实验结果进行对比分析。研究发现,层流状态下CMC溶液在弯道进口截面内的速度分布已受到弯道下游影响发生偏移。由于剪切稀化效应,近壁区主流速度梯度比牛顿流体大,等高线更加密集。主流区速度梯度则较小,分布较为均匀。湍流状态下,动态压力测量结果显示CMC溶液仍具有牛顿流体湍流流动的多尺度特征。(2)适用于幂律非牛顿流体的高精度高分辨有限体积算法研究针对幂律流体计算时可能出现的奇异性以及因此导致的算法不稳定性问题,发展了一种适用于幂律非牛顿流体三维流动的高精度有限体积算法。使用规正变量与空间方法(NVSF)和延迟修正方法引入高阶精度对流格式,既提高了计算精度又增加了数值算法的稳定性。采用了基于OpenMP的多核并行方法分配程序任务来提高计算效率。为考核算法的可靠性,计算了长直方管和大曲率弯管中拟塑性流体的层流流动,预测结果与实验数据吻合良好,验证了该数值方法的正确有效性。(3)弯道湍流计算基础模型的考核考核了五种常见的两方程涡黏性湍流模型在三维弯管流动中的适用性,对各模型的计算效率、主流速度、二次流、压力分布和湍流参数等进行了详细地比较。研究发现,对于全三维弯管和准二维弯管的湍流计算,相比标准k-ε模型和SST k-ω模型,低雷诺数JL模型和LS模型的预测能力更强,其中低雷诺数LS模型的湍流参数预测值与实验数据吻合程度最高。通过研究比较,选定低雷诺数LS模型作为进一步计算研究弯道中拟塑性非牛顿流体湍流的基础模型。(4)弯道中拟塑性非牛顿流体湍流的数值模拟研究对基础湍流模型进行了幂律修正,将非牛顿流体的流变性引入低雷诺数k-ε模型,结合建立的适用于幂律流体的高精度数值算法,数值模拟研究了大曲率方截面弯道中拟塑性非牛顿流体的湍流流动,并与实验数据进行比较。结果表明,主流平均速度预测值与实验结果分布趋势一致,吻合良好,表明了本文方法与模型的有效性。在弯道及其下游平直恢复段内,拟塑性流体湍流脉动动能最大值均出现在弯管侧壁附近。弯道轴向和径向湍流脉动强度从截面中心到弯管外壁逐渐增大,而在弯道下游的延伸直段,拟塑性流体轴向和径向湍流脉动强度在从截面中心向弯管外壁的方向上呈现出先减小后增大的趋势。通过本文研究,一方面实验测量获得了大曲率方截面弯道内拟塑性非牛顿流体湍流平均流场和压力脉动特性的第一手数据资料,为拟塑性流体湍流的数值计算研究提供了考核依据。另一方面,采用幂律修正的低雷诺数LS模型结合适用于幂律流体的高精度算法数值模拟研究弯道中拟塑性流体的湍流流动,初步给出了弯道拟塑性流体湍流参数的详细信息,为进一步认识大曲率弯道中拟塑性非牛顿流体的湍流流动提供了基础。
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【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O373;O357.5

【参考文献】