（化工过程机械专业论文）玉米粉蒸煮醪在水平环隙中的流体力学及传热研究.pdf

摘要 礤。t 2 8 9 6 3 r 大多数化学工业、食品工业和生物化学工业中的许多流体都是粘弹性 的，属于非牛顿流体，它们或者在制备过程中，或者在应用过程中都要进 行热量交换。由于非牛顿流体的独特性质以及其在工业生产中的广泛应用， 多年来，各国科研工作者对非牛顿流体从许多方面进行了深入的研究。但 同时又由于其性质独特，人们往往根据经验近似计算处理非牛顿流体的传 质和传热问题，而且对于非牛顿流体的研究，局限在理想流体，而不是实 际流体，导致计算结果与生产实际相差较大，使换热器设计成本过高或者 设计不合理，从而给生产造成巨大损失。例如，在生物反应过程中，常伴 有放热现象，若不及时移走，反应热将会使发酵介质温度升高，造成微生 物失活而影响生产。所以，研究实际的非牛顿流体的传热就非常必要了。) 玉米粉是食品、燃料生产中经常用到的原料，它的流变学性质、流体 力学性质和传热性质对于其加工工艺过程有很重要的影响。刺于这方面的 研究和定量的描述还没有见到。我们研究玉米醪传热的目的就是希望获得 其流变性、对流传热系数和建立传热模型，为研究实际非牛顿流体的传热 理论，以及解决生产实际中的非牛顿流体传热问题寻求方法。 另外，由于非牛顿流体本身的特点，其传热膜系数不高，而一般流体在 环隙中的传热系数很高，故本课题针对非牛顿流体在环隙中的传热进行研 究，希望能为生产中使用环隙换热器提供理论的依据。 ，j 本实验以玉米醪这种非牛顿流体为研究对象，先研究了其流动行为指 数n 和稠度系数k 随浓度、温度的变化关系。称量好2 0 目过筛后的玉米粉， 将其配成一定浓度，然后将物料在恒温水浴中加热至1 0 0 。c 并不断搅拌。7 0 分钟后，物料处理完毕。然后将物料用n d j 一7 9 型粘度计在不同温度下进行 测量，结果发现物料在较低浓度下，就已经表现出了良好的假塑性行为， 并符合幂律模型。其流动行为指数”只随浓度的变大而变小，不随温度变 化而变化。物料的稠度系数k 则随浓度的变大而变大，随温度的升高而变 摘要 的关系式为： 5 p 一6 4 2 7 7 。 为例) ，符合下式 9 8 c 22 0 7 8 ( 1 ) ( 2 ) 稠度系数k 与温度的变化( 以浓度为15 为例) ，符合下述关系式： k = 0 0 3 9 4 t “” ( 3 ) 相关系数为：o 9 9 9 。 论文根据奈维一斯托克斯方程的连续性方程和运动方程，对幂律假塑 性流体在水平环隙中的层流流动有关公式进行了推导，最终速度分布归结 到下式： f 咖= 獗1 _ ) a p ”ip 亍r 2 ) 哳i ( 4 ) r 咖= c 去驴争：咖 采用勒让德一高斯积分法计算上面两个方程可以得到了物料在不同环 管内、不同压降下速度分布的数值解，结果发现物料在环隙中的流速随管 径的变化基本符合如下形式： “= a ，2 + b - r + c ( 6 ) 还可以计算出了其平均流速与压降之间的关联式以及阻力摩擦系数与广义 雷诺系数之间的关联式( 以浓度为1 5 的物料在一号环隙中的流动为例) ： “6 ：0 0 0 0 5d p 一o 0 4 4 5( 7 ) 相关系数为：0 9 9 4 。 厂= 2 4 9 2 r e 。1 ”( 8 ) 相关系数为：o 9 9 8 。 经过比较，发现在三套环隙中，同样浓度、同样雷诺数下，环隙问隙 越小，则压降越大，阻力摩擦系数越大。 摘要 本实验还对玉米醪在水平环隙中的传热进行了研究。得到了不同流体 在不同流速、不同环隙中的平均传热膜系数，以及c o l b u r nj 因子与雷诺 准数的关系式( 以一号环隙为例) ： j = 4 8 3 3 8 r e 。0 4 7 3 ( 9 ) 相关系数为：o 9 6 2 。 经过比较，在同等雷诺准数下或在同等功率损耗条件下，环隙间隙越 小，物料的传热膜系数越大。由此可以证明，同等条件下，环隙的传热效 率要比圆管的传热效率高。、 关键词：非牛顿流体，幂律模型，环、救玉米粉蒸煮醪，传热膜系数。 垒! 坐竺! 一 a b s t r a c t m a n yk i n d s o ff l u i do fc h e m i c a li n d u s t r y , g r o c e r yi n d u s t r y a n d b i o c h e m i c a l i n d u s t r y a r e v i s c o e l a s t i c f l u i d s ，t h e yb e l o n g t o n o n n e w t o n i a nf l u i d s i tm u s tc o m p a n yw i t hh e a te x c h a n g ew h e nt h e n o n n e w t o n i a nf l u i d sa r e p r o d u c e d o r a p p l i e d b e c a u s e n o n n e w t o n i a nf l u i d sh a v ev e r ys p e c i a lc h a r a c t e r sa n dt h e i ra p p l i e d a r e aa r e v e r yw i d e ，m a n y r e s e a r c h e r sh a v e d e e p l y s t u d i e d n o n n e w t o n i a nf l u i d sf r o md i f f e r e n t a s p e c t s i nt h e s e y e a r s b u t ， b e c a u s et h ec h a r a c t e r so fn o n n e w t o n i a nf l u i d sa r e v e r ys p e c i a l ， p e o p l ea l w a y sa p p l i e da p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o nm e t h o d t od e a lw i t h t h e p r o b l e m o fn o n n e w t o n i a nf l u i d sm a s s e x c h a n g e a n dh e a t e x c h a n g ea c c o r d i n gt o t h e i re x p e r i e n c e a n dt h ef l u i d sr e s e a r c h e d m o s t l ya r ei d e a lf l u i d s ，n o ta c t u a l f l u i d s t h e s ef a c t o r sm a k et h e r e s u l to fc a l c u l a t i o nh a sb i gg a pt ot h er e a lr e s u l t ，a n dt h ec o s to f d e s i g n i n go f t h eh e a te x c h a n g e ri st o oh i g ho rt h eh e a te x c h a n g e ri s u n s u i t a b l e a l lo ft h e s ew i l lb r i n ge n o r m o u sl o s st ot h ep r o d u c t i o n f o re x a m p l e ，t h e r ei s q u a l i t y o fh e a tr e l e a s e d d u r i n gt h eb i o l o g y r e a c t i o n ，i f t h eh e a tc a nn o tb et r a n s f e r r e di nt i m e ，t h et e m p e r a t u r eo f l e a v e n i n gw i l lr i s e ，t h em i c r o b ew i l ld i e ，a n dt h ep r o d u c t i o nw i l lb e a f f e c t e d s o ，i ti sn e c e s s a r yt o r e s e a r c ht h ea c t u a ln o n n e w t o n i a n f l u i d s c o r np o w d e ri st h ef a m i l i a rm a t e r i a lo f g r o c e r yi n d u s t r y a n df u e l p r o d u c t i o n t h er h e o l o g yc h a r a c t e r , h y d r o d y n a m i c s c h a r a c t e ra n d h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e ra r ei m p o r t a n tt oi t sp r o c e s st e c h n i c s t h e r ei s s o m er e s e a r c hi nt h i s a s p e c t ，b u ti t i ss t i l ld i f f i c u l tt od e s c r i b ei t q u a n t i f i c a t i o n a i ly w er e s e a r c ht h ec o r np o w d e rc o o k i n gl i q u o ra r e w a n tt oa c q u i r et h em o d e lo fi t sr h e o l o g ya n dh e a tt r a n s f e r , f i n da n a p p r o a c h o f r e s e a r c h i n gt h ea c t u a ln o n n e w t o n i a nf l u i d sh e a tt r a n s f e r a b s t r a c t a n ds e t t l et h e p r o b l e m o fn o n n e w t o n l a nf l u i d sh e a tt r a n s f e ri n p r o d u c t i o n i to f t e nu s ec o i lh e a t e x c h a n g e r t ot r a n s f e rh e a ti n i n d u s t r y p r o d u c t i o n t h e c o i lh e a te x c h a n g e rh a sb i ga r e a ，b u ti t se f f i c i e n c yo f h e a tt r a n s f e ri sn ov e r yh i g h w ek n o ww h e nf l u i df l o wi na n n u l a r s p a c e ，i th a sv e r yh i g hf i l mc o e f f i c i e n to f h e a tt r a n s f e r t h i sa r t i c l e h a ss t u d i e dt h eh e a tt r a n s f e ro fn o n n e w t o n i a nf l u i d sw h e n t h e yf l o w i na n n u l a rs p a c e w ea l s ow i s ht op r o v i d et h et h e o r yr e f e r e n c ef o r a p p l y i n ga n n u l a rs p a c e h e a te x c h a n g e ri nt h ei n d u s t r y p r o d u c t i o n t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sa r t i c l ei sc o r n p o w d e rc o o k i n gl i q u o r , i ti s ak i n do fn o n n e w t o n i a nf l u i d s t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ef l o wb e h a v i o ri n d e x n ，c o n s i s t e n c e p a r a m e t e rk a n dc o n c e n t r a t i o na n d t e m p e r a t u r e a t f i r s tw e i g hs o m e c o r np o w d e r , f o r m u l a t eac e r t a i nc o n c e n t r a t i o ns o l u t i o n h e a tt h e s o l u t i o nt o1 0 0 。cw i t h u n e n d i n ga g i t a t i o n a f t e r 7 0m i n u t e s ，t h e m a t e r i a li sw e l lc u r e d w eu s en d j 。7 9v i s c o m e t e rm e a s u r et h e m a t e r i a li nd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e t h er e s u l t s h o w st h a tt h ec o i t i p o w d e rc o o k i n gl i q u o r i s p s e u d o p l a s t i c f l u i dw h e ni ti si nl o w c o n s i s t e n c e ，a n di ta g r e ew i t hp o w e rl a wm o d e l t h ef l o wb e h a v i o r i n d e xnd w i n d l e sw i t ht h eh e i g h t e n i n go ft h ec o n c e n t r a t i o n ，b u td o e s n o tv a r yw i t ht h ev a r y i n go f t e m p e r a t u r e t h ec o n s i s t e n c ep a r a m e t e r k h e i g h t e n sw i t ht h eh e i g h t e n i n go f t h ec o n c e n t r a t i o n ，a n dd w i n d l e s w i t ht h e r i s i n go f t h et e m p e r a t u r e t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ef l o w b e h a v i o ri n d e xna n dc o n c e n t r a t i o n a g r e ew i t h t h e f o r m u l a ( 1 ) ： = 0 9 7 4 5 e “4 2 7 7 。 ( 1 ) c o e f f i c i e n to fc o r r e l a t i o ni s ：0 9 7 0 t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e c o n s i s t e n c e p a r a m e t e r ka n d c o n c e n t r a t i o n a g r e ew i t ht h ef o l l o w i n gf o r m u l a ( t a k et h ee x a m p l eo f 3 0 * c ) ： k ：5 19 9 8 c 22 0 7 8 r 9 1 垒! 塑! ! ! c o e m c i e n to fc o r r e l a t i o ni s ：0 9 91 t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec o n s i s t e n c e p a r a m e t e r ka n d t e m p e r a t u r ea g r e ew i t ht h ef o r m u l a ( 3 ) ( t a k e t h ee x a m p l eo f1 5 m a t e r i a l ) ： k = o 0 3 9 4 t “6 ”9( 3 ) c o e f f i c i e n to fc o r r e l a t i o ni s ：o ，9 9 9 t h i sa r t i c l eh a sd e r i v e ds o m ef o r m u l a sw h e np o w e rl a wf l u i df l o wi n h o r i z o n a n n u l a r s p a c ea c c o r d i n g t on a v i e r - s t o k e s c o n t i n u i t y e q u a t i o na n de q u a t i o no fm o t i o n e v e n t u a l l y , v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n c a nb ea c q u i r e db y s o l v i n g t h ef o l l o w i n g e q u a t i o n s ： 肛= ( 磊1t a p ) ：j ( 卜争) j 咖 ( 4 ) f d u = ( 瑟1 二) a p ；p 一譬) ；咖 ( 5 ) w eh a v e a p p l i e dl e g e n d r e g a u s si n t e g r a l m e t h o dt os o l v et h e e q u a t i o n sa b o v e ，a n da c q u i r e d t h en u m e r i c a ls o l u t i o no ff l u i d v e l o c i t y d i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o na n dd i f f e r e n t p r e s s d r o p t h er e s u l ts h o w st h a tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nv e l o c i t ya n d p i p ed i a m e t e ra g r e e w i t ht h ef o r m u l a ( 6 ) ： “= a ，2 + b r + c( 6 ) a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e a nv e l o c i t yo fs t r e a ma n dt h e p r e s sd r o pa g r e et h ef o l l o w i n gf o r m u l aft a k et h ee x a m p l eo f1 5 m a t e r i a lf l o w i n gi nt h ef i r s ta n n u l a r s p a c e ) ： = o o 0 0 5 d ，p 一0 0 4 4 5 ( 7 ) c o e f 行c i e n to f c o r r e l a t i o ni s ：0 9 9 4 t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o na n dt h er e y n o l d s n u m b e r a g r e e w i t ht h ef o l l o w i n gf o r m u l art a k et h ee x a m p l eo f 1 5 m a t e r i a lf l o w i n gi nt h ef i r s ta n n u l a rs p a c e ) ： = 2 4 9 2 r e 。1 ” ( 8 ) c o e m c i e n to fc o r r e l a t i o ni s ：0 9 9 8 a f t e rc o m p a r i s o n ，w ef i n dt h a tu n d e rt h es a m ec o n c e n t r a t i o na n d r e y n o l d sn u m b e r , i f t h ei n t e r s p a c ea n n u l a rs p a c ei sm o r el e s s ，t h e c o e f f i c i e n to ff r i c t i o ni sm o r e b i g g e r t h i sa r t i c l eh a sa l s os t u d i e dt h eh e a tt r a n s f e ro fc o r n p o w d e rc o o k i n g l i q u o r w h e ni tf l o wi nt h eh o r i z o na n n u l a r s p a c e t h e f i l m c o e f f i c i e n t so fh e a tt r a n s f e ro fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nm a t e r i a lf l o w i nd i f f e r e n ta n n u l a rs p a c ea sd i f f e r e n tv e l o c i t ya r eg i v e n a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o l b u r nj f a c t o ra n dr e y n o l d sn u m b e ri s a l s og i v e n ( t a k et h ee x a m p l eo ff i r s ta n n u l a r s p a c e ) ： j = 4 8 3 3 8 r e 。0 4 7 3 ( 9 ) c o e m c i e n to fc o r r e l a t i o ni s ：0 9 6 2 a f t e rc o m p a r i s o n ，t h er e s u l ts h o w st h a ti ft h e i n t e r s p a c e a n n u l a r s p a c e i sm o r el e s s ，t h ef i l mc o e f f i c i e n t so fh e a tt r a n s f e ri sm o r e b i g g e r t h a ta l s os h o w st h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yo fa n n u l a rs p a c e i sb e t t e rt h a nt h a to fc o l lh e a t e x c h a n g e r k e y w o r d s ：n o n n e w t o n i a n f l u i d ，p o w e rl a wm o d e l ，a n n u l a rs p a c e ， c o r n p o w d e rc o o k i n gl i q u o r ，f i l mc o e f f i c i e n to fh e a tt r a n s f e r a c c p d g g h 三 门 j d p g r 丁、r u 、“ 矿 r p 玎 仉 五， r , o ，z y c o m m a x 准数： n “ r e p r 主要符号及说明 换热面积 物料浓度 比热 当量直径 摩擦系数 质量流量 重力加速度 传热膜系数 长度 流动行为指数 功率 压力损失 传热量 半径 温度 流速 体积流量 剪应力 密度 粘度 表观粘度 导热系数 坐标向量 剪切速率 角速度 平均值 最大值 努塞尔特准数 广义雷诺准数 普兰特准数 m2 ，x g o c 】 k g h 】 m s2 】 m2 。c 】 7 ”s 矽】 p a 【j 】 1 1 1 o c ，”s 】 m 3 h ( j 叫 1 r a d 舻矿b a 日 兰呈纠m m 切速率成正比 f = 谚 ( 卜1 ) 式中，f 为剪应力，户为剪切速率，可是表示流体流动难易程度或流体粘稠 程度的物性常数，称为剪切粘性率或剪切粘度，单位是：帕秒( p a s ) 。 在此基础上，奈维一斯托克斯作了应力张量是应变率张量的线性函数、流 体各向同性和流体静止时应变率为零的三项假设，从而推导出了应用于流 体力学研究的线性本构方程，以及现在被广泛应用的奈维一斯托克斯方程， 它是描述粘性牛顿流体运动的基本方程。式( 卜1 ) 称为牛顿常粘度定律，它 所描述的流体称为牛顿流体。 随着生产和科学技术的发展，在工业生产过程和自然界中，发现存在 大量不符从牛顿常粘度定律的流体，如化学工业中的各类泥浆、悬浮液、 油漆、涂料、颜料、工业用油脂等，这类流体的本构方程与牛顿流体常粘 度定律有显著区别，故而被称为非牛顿流体。只有牛顿流体才具有一种严 格的称为粘度的性质；所有非牛顿流体则需要两个或多个参数来描述其粘 稠特性。为此，就引入了表观粘度的概念，表观粘度等于剪应力与剪切速 率之比，即 r 1 = 叫户 ( 1 2 ) 非牛顿流体包括有以下几类： 假塑性流体：流体的流变特性与时间无关，它在一个无限小的剪应力下 就能开始流动，剪切粘度随着剪切速度的增大而减小； 胀塑性流体：流体的流变特性也与时间无关，流动过程中，其剪切粘度 随着剪切速率的增大而增大； 宾汉流体：流体表现有一屈服应力，当剪应力小于其屈服应力时，流体 第一章前言 不会流动：当剪应力大于其屈服应力时，流体就象牛顿流体一样流动，其 剪切粘度不随剪应力变化而变化； 触变流体：流体的流变行为与剪切时间相关，在受剪切时，内部结构被 破坏，随时间而软化，表观粘度减小，并逐渐趋近于一个定值； 震凝流体：流体在任意给定的剪切速率下，剪应力随时间的增加将趋近 一个最大值。 第二节当前非牛顿流体的研究概况 由于非牛顿流体的独特性质以及其在工业生产中的广泛应用，多年来， 各国科研工作者对非牛顿流体从许多方面进行了深入的研究。 1 、对边界中非牛顿流体的研究 圆管 r s p a r i k h 和r m a h a l i n g a m 推导了圆管层流幂律流体壁温分布 的分析解，这是在壁温恒定热通量的边界条件下得到的解 ”。郑永刚、谢翠 丽等提出了研究圆管中分层流动的新模型，并利用该模型研究了非牛顿流 体在圆管中的层流一紊流分层流动，得到了速度场的解析分布式。最后， 研究了分层流动的阻力规律，为分层掺气减阻提供了理论依据。研究表明 分层掺气可以有效地减阻【2 j 。 椭圆管王红苗、葛绍岩等对非牛顿流体在小尺寸椭圆形通道内的层 流强制对流传热进行了实验研究。研究介质为c a r b o p o l 一9 3 4 中性水溶液， 采用直接通电的方法对管壁四周等热量加热。结果表明：椭圆通道内，非 牛顿流体c a r b o p o l 水溶液的传热强于牛顿流体，约高出水5 0 左右，说明 粘弹性流体在椭圆通道内也产生二次流并能强化传热：与同浓度的 c a r b o p o l 水溶液在方形通道内的传热结果相比，椭圆通道内的传热高于方 形通道。流体的压力降则不受粘弹性的影响【3 】。 环管 黄军旗、刘慈群研究了幂律非牛顿流体在环管内的不定常旋转 流。该方程是非线性方程，在局部因子的稳态近似假设下，方程被线性化， 用拉普拉斯积分变换法可以得到问题的解，他们还研究了幂律指数对流场 的影响”1 。祝世兴、高德等从非牛顿流体运动微分方程出发，利用积分、级 2 第一章前言 数展开和数值计算方法，对胀塑性流体( = 2 ) 在环形通道中的流动进行 了分析和计算，推导出了这种流体在环形通道中流动的速度、流量、平均 速度和平均应变速度等关系式，绘制了几种不同半径比值条件下的流体在 管道横断面上的速度分布图，讨论了压力降与流量、速度与环管半径之间 的关系，为工程计算提供了可靠的理论依据垆j 。 偏心环管崔海清、刘希圣从理论上建立了双极坐标系下非牛顿流体 偏心环空螺旋流控制方程，这是用流函数和轴向速度表示的四阶非线性变 系数非齐次偏微分方程组，他们给出了上述方程组的有限差分法数值求解 的步骤，并以水和c m c 水溶液实验数据为例，计算和分析了非牛顿流体偏 心环空螺旋流的速度分布规律，结果表明：非牛顿流体偏心环空螺旋流中 存在二次流区，而且影响二次流区的主要因素是偏心距f 6 】。徐建平、陈钦雷 等根据非矩形模型和非牛顿流体e l l i s 模型建立了非牛顿流体通过偏心环空 的数学模型，并在极坐标下求出速度分布分析表达式，该方法适用范围广 泛，并克服了以往数值差分解法的繁琐和误差【”。 矩形槽 p y c h a n g 等研究了2 ：1 矩形管内牛顿流体和非牛顿流体的 传热机理。发现对于非牛顿流体，数值分析与实验结果只在入口段比较相 符，模拟的努塞尔特准数在流体充分发展区域偏小8 1 。林成先、葛绍岩对非 牛顿流体在小尺寸方形通道内的低雷诺准数下强制对流传热进行了实验研 究。结果表明，流体粘弹性与传热的相互作用取决于雷诺准数的大小。当 表观雷诺准数r e 1 1 5 时，非牛顿流体开始强化对流传热。r e 数越高，传 热强化的程度越大。流体的阻力系数则几乎不受粘弹性的影响【叭。 平板t i a n y i hw a n g 针对非牛顿流体在平板上的层流热传导进行了 研究l l 。李光正采用几种数值方法对非牛顿幂律流体沿竖直平板层流自然 对流为非线性两点边值问题及其速度场与温度场求解进行了计算，研究了 各种普朗特数及不同幂次流体对沿壁面平均努塞尔特准数的影响变化，并 与有关文献的结果进行了比较【“1 。 2 、对非牛顿流体在不同设备中的研究 降膜蒸发器 宋继田、刘振义等研究了异形竖板降膜蒸发器的传热性 3 第一章前言 能，得出了降膜在不同流动状态时板外侧和板内侧无因次传热膜系数关联 式；将异形竖板与竖直平板和竖直光滑管的传热性能进行了比较，得出了 改善其传热性能必须从蒸发侧着手的结论l l 。 管板式换热器王文俊、顾培韵等研究了流体在管板式换热器中的压 降特性，为了描述液体粘度对摩擦因子的影响，在摩擦因子关联式中引入 与流体粘度有关的无因次准数。提出了复杂结构流动通道中非牛顿流体剪 切速率的求解方法”。 环流反应器李国庆、杨守志等采用了柯尔莫哥洛夫各项同性湍流理 论模拟气升式环流反应器中粘性非牛顿流体在上升段及下降段中的轴向返 混。在应用该理论分析反应器的行为时，对环流反应器的输入功进行了推 算，寻出了非牛顿流体系统中的特征长度和特征速度，并且以此为基础进 一步分析和推导了非牛顿流体中液相轴向返混系数的表达式【i4 1 。 管壳式换热器管壳式换热器加装内插入元件是改善管内传热性能的 有效方法，朱冬生简要介绍了交叉梯形波带插入物强化管内高粘度流体传 热的原理和工业应用，说明内插物技术可直接应用于现有设备的技术改造， 还可应用于新设备的设计，特别适宜高粘度的热敏性流体的传热强化【”i 。 搅拌釜唐福瑞等人根据边界层理论利用搅拌槽壁面扭矩与搅拌桨旋 转扭矩阻力层的实际表观粘度计算式。用平桨、锚式桨、透平桨、推进式 桨、三叶片掠式桨、偏框式桨及螺带式桨，以不同转速、不同流变特性的 c m c 溶液，测定了搅拌槽壁侧给热系数，获得了一般关联式【l “。 静态混合器日z ，等就牛顿、非牛顿流体在s u h e rs m j ( 静态混合器 中的流动传热进行了实验研究l l ”。 管内内插件徐天华等人在p r = 1 3 5 、r e = 3 0 0 3 5 0 0 条件下对扭带、 半扭带、螺旋线、片条插入物、斜环片及k e n i c s 等十种管内插入物进行了 传热及流阻实验、机理分析和性能评价，认为对于高粘液体传热，置换型 插入物是最适宜的类型，并开发了传热和阻力特性优于以往各种内插物的 交叉锯齿型扰流子【l ”。方书起等人用高粘度2 0 # 机油作为循环介质，蒸汽为 载热体，对7 t 型元件强化管内粘性液体传热进行了研究，获得了流体阻力关 d 第一章前言 联式和传热关联式，并认为；r e 型元件的扭角越小，强化传热的能力越强，压 力损失也越大。但流阻和传热综合性能优于k e n i c s 型元件【1 9 】。邓先和等人 采用花瓣状翅片管强化环隙间润滑油的传热，有效地扩大了传热面积，强 化了传热效果。实验证实了花瓣状翅片管用于高粘流体传热是一种较好管 型1 2 0 1 。 多i l 介质y u e t z uy a n g 对非牛顿幂律流体在多孔介质中的自由 对流传热进行了研究【2 1 】。 3 、对非牛顿流体的不同方面进行研究 拉伸粘度李保源参照3 种典型的非牛顿流体，即刚性分子溶液、弱 弹性流体和高弹性流体的实验数据，检验幂律流体拉伸粘度的幂律表达式， 结果表明：拉伸粘度的幂律表达式能较好地描述非牛顿流体的拉伸粘度【2 2 】。 流体力学变分原理沈敏将钱伟长教授提出的不可压缩粘性流的最大 功率消耗原理进一步推广，并采用识别的拉氏乘子法解除变分边界条件， 导出其广义变分原理【2 3 】。 流变性测定李传宪、黄启玉分析了同轴旋转粘度计中牛顿流体和非 牛顿流体的剪切率及剪切应力的分布特点，提出了一种简便准确的测定非 牛顿流体流变性的数据处理方法。这种方法可使r v 一2 型旋转粘度计的三 种测量系统的测量偏差大大减小【2 4 】。 本构常数测量精度张维佳、王亦群等研究了幂律型非牛顿流体本构 常数测量误差对于计算广义雷诺准数、阻力系数及建立二者实验关系的影 响，分析了传播系数因次和谐问题，并提出了改进本构测量的建议 ”l 。 沸腾 刘均洪、叶林等用高粘液体进行了垂直管内流动沸腾传热实验 研究，建立了流动沸腾传热系数关联式26 1 。李传凯、张鸣远等研究了一种 非牛顿流体一高聚物水溶液在垂直上升管内强制流动沸腾过程中的滞后现 象，发现h e c 水溶液存在沸腾滞后现象，而删m 水溶液却没有滞后现象 发生，提出了临界干度的概念，观察了溶液浓度和流速对沸腾滞后的影响， 并初步解释了发生该滞后现象的机理【2 7 l 。 4 、对非牛顿流体研究的不同研究方法 一5 第一章前言 摩阻计算方法宫敬、严大凡介绍了非牛顿层流的假塑性幂律流体、 宾厄姆塑性体和屈服假塑性流体的管流可用同一表达式的范宁摩阻系数公 式计算摩阻损失。对常用的非牛顿湍流摩阻系数公式及用管流特性系数反 算的表观粘度为参数按牛顿湍流公式的计算结果进行分析。对非牛顿管流 摩阻计算提出建议【2 8 。 群论分析许学谘、夏晶对由热、质量扩散和化学反应引起的垂直平 板定常层流自然对流问题用m a r g a 变换群理论进行了分析，得到了壁面温 度和浓度分布按x v ( 。“变化时相似性方程组，并用r u n g e k u t t a 方法和 n a c h t s h e i n s w i g e r t 迭代法在p r = o 7 2 和不同的施密特数、反应阶月和 参数p 、q 下进行了数值求解。给出了相应的速度分布、温度分布和浓度 分布曲线【2 。 谱分析 王喜君、吴江航为计算热塑性材料在薄的中心开口的圆盘注 射充模过程的温度场、速度场和压力场，利用切比雪夫配置法和快速傅立 叶变换，提出了快速收敛和稳定的计算模型，计算结果和实验结果非常吻 合。他们考虑了熔体的非牛顿性和过程的非等温性，非定常性以及计算区 域的非定常性，对充模过程各时刻都进行了数值分析。对于时间方向的积 分采用c r a n k n i c o l s o n 空间方向的积分采用谱方法【3 0 】。 数字模拟s g he t e m a d 在解决幂律流体在恒定壁温和热通量边界条 件下的稳定同步发展层流和传热的三维本构方程中运用了数字模拟，并对 结果进行了分析讨论川。 局部相似技术l i n 和s h i h 提出了运用局部相似技术来研究竖直平板 到幂律流体之间的自由、强制对流传热【3 2 】。 有限元 s e p p o $ r 谢磁对h 和r 热边界条件下，幂律非牛顿流体在矩 形槽内流体、热量得到充分发展的强制对流传热进行了研究，在最近的研 究中普遍使用了三角单元的有限元方法分析矩形槽内发展的层流幂律非牛 顿流体【3 3 i 。 6 第二章课题的内容及方案 二章课题的内容及方案 第一节课题的意义 大多数化工产品、食品和轻工产品生产过程中的许多流体都是粘弹性 的，属于非牛顿流体，它们或者在制备过程中，或者在应用过程中都要进 行热量交换。此外，随着微生物多糖及其他高分子聚合物等非牛顿流体发 酵生产工艺的开发，对生物反应传热和传质性能要求越来越高。在生物反 应过程中常伴随有放热现象，若不及时移走，反应热将会使发酵介质温度 升高，造成微生物失活而影响生产。由于微生物多糖和其他高分子聚合物 的表观粘度随着操作条件及发酵周期不同变化很大，变化范围从几十厘泊 到上万厘泊，给加工生产过程中的传质和传热带来很大困难。以往人们往 往根据经验做近似计算处理非牛顿流体的传热问题，而且，研究的对象一 般都是理想的非牛顿流体，从而导致计算结果与生产实际相差较大，造成 设计成本过高或者设计不合理，给生产造成巨大损失。所以，研究实际的非 牛顿流体的传热就非常必要了。 玉米粉是食品、燃料乙醇生产中经常用到的原料，它的流变力学性质、 流体力学性质和传热性质对于其加工工艺过程有很重要的影响。对于这方 面的研究和定量的描述还没有见到。我们研究的目的就是希望获得玉米粉 蒸煮醪( 简称玉米醪) 流变性的表征和建立传热模型，研究实际非牛顿流体 的传热理论，以及解决生产实际中的非牛顿流体传热问题。 另外，由于非牛顿流体本身的特点，其传热膜系数却不高，而一般流体 在环隙中的传热系数很高，故本课题针对非牛顿流体在环隙中的传热进行 研究，希望能为生产中使用环隙换热器提供理论的依据。 第二节课题的研究内容及方案 l 、研究内容 7 - 第二章课题的内容及方案 本课题研究的是水平环隙内玉米醪在层流、等壁温情况下的流体力学 及传热特性，并建立相关的传热模型。 2 、研究方案 1 ) 流变性的测量 本课题研究的对象是玉米醪，其流变性随剪切速率、物料浓度和温度 的变化而变化，属于假塑性流体。为了定量地描述假塑性流体的流变行为， 许多研究者，例如平井英二，富田，g o v i e r 和j i n e s c n 等都发表了适用于假 塑性流体的流变方程( 流变模型) ，其中最简单和最受限制的模型含有两个 参数，有些模型虽可用于很大的剪切速率范围，但都含有三个或更多的参 数。现将其中的一些模型介绍如下： 幂定律模型 广泛应用于工程计算的是幂定律模型： f = k ( 矿) ”( 21 ) 或 户= f ”叩一。 ( 2 2 ) 在以上两式中，户为剪切速率：k 为稠度系数；”z 、”为流动行为指数， ”= 1 ；叩，为假塑性粘度，k = ，7 ，”。对于假塑性流体，n 小于l ( ”? 大 于1 ) 。 以幂定律描述的流体表观粘度玑为： 玑= 足( 户) ”1 ( 2 - 3 ) 以幂定律描述的流体表观流动率为： 丸= 矿f = ( 1 呷，。) 。 ( 2 4 ) e y r i n g 模型 毋，。i n g 方程为： r = a s i n h 。( 户b )( 2 - 5 ) 或 户= b s i n h ( d a ) ( 2 - 6 ) 8 第二章课题的内容及方案 式中，a ，b 是流体的特征参数。相应的表观粘度为： 仉= a s i n h 。( i i b ) i t( 2 - 7 ) s u t t e l 砂模型 s u t t e r 咖方程是含有三个参数的方程，即 r 。= 叩o s i n h 。( 户b ) ( 户b ) 9 ( 2 - 8 ) 当= 0 ，则( 2 - 8 ) 式化为牛顿方程；当= 1 ，则它化为e y r i n g 方程。 p o w e