（流体力学专业论文）定常和脉动流场下波壁管内非牛顿流体的流动及结构特性.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，我国的能源和环境压力越来越大。节能是国家发展经济的 长远策略，在开发利用新能源和可再生资源的同时，更需要降低能源消耗提高资源利 用率。 质热传递过程在实际工程中无处不在，高效低耗的传质传热装置在生物化工，医 学领域内的反应器以及换热器等的设计中有着广泛的应用。在实际工程中，质热传递 往往受系统尺寸、形状、效率等而受到影响。许多研究者致力于牛顿流体在各种流路 中的自持振动流和强制振动流的研究，他们的研究结果从实验和数值方面揭示了牛顿 流体的流动特性。大量的研究表明自持振动和强制振动的结合可以导致质热传递的明 显增强。 非牛顿流体的制备和应用广泛存在于化工、食品、石油、医药等工业部门。非牛 顿流体在二维通道和三维流路中的流动及结构特性是实际工业设计中的重要参考。在 本研究中，基于压力差和流动可视化的实验结果，揭示定常和脉动流场下的非牛顿流 体在波壁管中的流动及结构特性。 第一章对前人的研究成果进行回顾。国内外大量相关研究结果表明，牛顿流体在 定常和脉动流场下二维通道和三维流路内的研究结果已经比较成熟。非牛顿流体在二 维通道和三维流路内的的相关研究较少，在脉动流场下的研究尤为缺乏，截至目前未 见报道。 第二章主要介绍了实验室主要测试系统的组成以及测粘度和可视化的实验设备， 测试原理和测量方法。用u 型管压差计对整体压力差进行测量，采用铝尘法进行流动 结构的可视化，利用瞬时拍照技术记录的铝离子在波壁管中的运动轨迹来显示流动结 构。 第三章对所有的实验结果进行了描述。首先，对非牛顿流体的基本特性进行了研 究，发现非牛顿流体的特性受温度，放置时间，剪切速率和添加物等因素的影响。阐 述t n 试系统中参数的定义并对转子流量计进行了标定；简要分析了非牛顿流体压力 差的实验结果，最后，分析了非牛顿流体在定常流和脉动流下的可视化状态并对流动 的稳定状态和不稳定状态进行了定义；在脉动流下分析了净流动雷诺数r e s ，振动分率 p 和振动频率s t 这三个参数对质热传递特性的影响。发现这三个参数均对质热传递特 性有重要影响。即在较大雷诺数r e s ，较大振动分率尸和中等s t 下质热传递效果要好很 多。 第四章对本实验的研究得出的结论进行了总结。流动控制参数及波壁管的形状对 流动特性及其流动结构均有重要影响，聚合物溶液的浓度对流动结构也有重要影响， 最佳减阻浓度的聚合物溶液可以使摩擦阻力减小的同时，也可以使低雷诺数下的质热 定常和脉动流场下非牛顿流体在波壁管内的流动及结构特性 传递效果与水相比大大增强。 关键词：波壁管；可视化技术；铝尘法；脉动流场；定常流场；非牛顿流体 大连理工大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c so ff l u i df l o wa n df l o ws t r u c t u r e so fn o n - n e w t o n i a nf l u i di n aw a v y - w a l l e dt u b ef o rs t e a d ya n dp u l s a t i l ef l o w a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ep r e s s u r ei m p o s e do nt h ee n e r g y a n de n v i r o n m e n tb e c o m e si n c r e a s i n g l ys e r i o u s 1 1 1 el o n g t e r ms t r a t e g yf o rt h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n ti st or e d u c et h ec o n s u m p t i o no ft h ee n e r g y , w h i c hi sm o r eu r g e n tc o m p a r i n gt o e x p l o r en e wa n du t i l i z er e n e w a b l ee n e r g y m a s sa n dh e a tt r a n s f e rd e v i c e s 、析t l ll o we n e r g yc o n s u m p t i o na r ew i l d l ya p p l i e dt ot h e w h o l ee n g i n e e r i n gf i e l d ，s u c ha sb i o m e d i c a l ，m e d i c a le n g i n e e r i n g m a s sa n dh e a tt r a n s f e r p r o c e s sa r eo f t e na f f e c t e db ys y s t e ms i z e ，s h a p ea n de f f i c i e n c y i na p p l i c a t i o n m a n y r e s e a r c h e r sd e v o t et h e m s e l v e st ot h es t u d yo fs e l f - s u s t a i n i n gv i b r a t i o na n df o r c e dv i b r a t i o no f n e w t o n i a nf l u i d si nt h ep i p eo fd i f f e r e n ts h a p e s t h er e s u l t sr e v e a l t h ec h a r a c t e r i s t i c so f n e w t o n i a nf l u i df r o mt h ee x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a la s p e c t s al a r g en u m b e ro fs t u d i e s h a v es h o w nt h a tt h ec o m b i n a t i o no fs e l f - s u s t a i n i n gv i b r a t i o na n df o r c e dv i b r a t i o nc a nl e a dt o s i g n i f i c a n t l ye n h a n c eo fm a s sa n dh e a tt r a n s f e r p r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o n so fn o n - n e w t o n i a nf l u i d sd i s t r i b u t ew i d e l yi nt h ec h e m i c a l ， f o o d ，p e t r o l e u m p h a r m a c e u t i c sa n ds oo n c h a r a c t e r i s t i c so f f l u i df l o wa n df l o ws t r u c t u r e so f n o n - n e w t o n i a nf l u i di nt h ec h a n n e la n dt u b ea r ei m p o r t a n tr e f e r e n c e st o t h ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n g b a s e do np r e s s u r ed i f f e r e n c e sa n df l o wv i s u a l i z a t i o nr e s u l t s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s o ff l u i df l o wa n df l o ws t r u c t u r e so fn o n - n e w t o n i a nf l u i di naw a v y - w a l l e dt u b ef o rs t e a d y a n dp u l s a t i l ef l o ww e r ed e s c r i b e di nt h i ss t u d y i nc h a p t e rl 。i ti sar e v i e wo fp r e v i o u ss t u d i e s t h e s es t u d i e so fn e w t o n i a l li n d i c a t et h a t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e ew i t ht h er e s u l t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rs t e a d ya n dp u l s a t i l e f l o wi nt h ec h a n n e la n dt u b e h o w e v e r , l i t t l ei sk n o w na b o u tn o n - n e w t o n i a nf l u i d 。e s p e c i a l l y i nt h es t u d ya b o u tp u l s a t i l ef l o w i nc h a p t e r2 ，t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sa n dv a r i o u sm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sw h i c h w e r ea p p l i e dt os t u d ya r ei n t r o d u c e d ，f o re x a m p l e ，m e a s u r i n gt h ew h o l ep r e s s u r ed i f f e r e n c e 、析mu s h a p e dd i f f e r e n t i a lp r e s s u r eg a u g e ，v i s u a l i z i n gt h ef l o wp a t t e r n sb yt h ea l u m i n u md u s t m e t h o da n dr e c o r d i n gt h ea c t i v et r a c eo fa l u m i n u mi o ni nw a v y w a l l e dt u b eb yi n s t a n t a n e o u s p h o t o g r a p h st e c h n o l o g y c h a p t e r3 d e s c r i b e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s f i r s t ，t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co f n o n n e w t o n i a nf l u i d sh a sb e e ns t u d i e d i ti sf o u n dt h a tt e m p e r a t u r e ，s t o r a g et i m e ，s h e a rr a t e a n da d d i t i v e sa f f e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n - n e w t o n i a nf l u i d t h e n , t h eo p e r a t i n g p a r a m e t e r sf o rt e s ts y s t e ma r ed e f i n e da n dt h er o t a m e t e ri sc a l i b r a t e d a n dt h e n , f l o w v i s u a l i z a t i o no fn o n - n e w t o n i a nf l u i d si ns t e a d ya n dp u l s a t i n gf l o ww a sa n a l y z e da n dt h e s t e a d ya n du n s t e a d yf l o ws t r u c t u r e sw e r ed e f i n e d t h e n ，t h ee f f e c to fo p e r a t i n gp a r a m e t e r so n t h em a s st r a n s f e re n h a n c e m e n ta r ed i s c u s s e d ，s u c ha sr e s ，pa n ds t a tl a s t ，i ti sf o u n dt h a t 玎i 定常和脉动流场下非牛顿流体在波壁管内的流动及结构特性 t h r e ep a r a m e t e r sh a ds i g n i f i c a n te f f e c to nt h ec h a r a c t e r i s t i co fm a s sa n dh e a tt r a n s f e r t h a ti s t os a yh e a ta n dm a s st r a n s f e rw i l lb em u c hb e t t e rw i t hl a r g e rr e s pa n dm o d e r a t es t c h a p t e r4s u m m a r i z e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s o p e r a t i n gp a r a m e t e r s , t h es h a p eo f w a v e w a l l e dt u b ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no fp o l y m e rs o l u t i o nh a v ei m p o r t a n ti m p a c to nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ff l u i df l o wa n df l o ws t r u c t u r e s 1 1 他m o d e r a t ec o n c e n t r a t i o no fp o l y m e r s o l u t i o nc a nr e d u c et h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c e c o m p a r e dw i t hw a t e r , t h ee f f e c to fp o l y m e r s o l u t i o no nm a s sa n dh e a tt r a n s f e ri ss i g n i f i c a n te n h a n c e da tl o w r e y n o l d sn u m b e r k e yw o r d s ：w a v y w a l l e dt u b e ；f l o wv i s u a l i z a t i o n ；a i u m i n u md u s tm e t h o d ； p u s a t i l ef l o w ；s t e a d yf l o w ；n o n - n e w t o n i a nf l u i d - i v 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 仓文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 汉保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 苯学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 宿印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：定常和脉动流场下波壁管内非牛顿流体的流动及结构特性 阼者签名：坠：放 一日期：年月日 导师签名 日期：埠年生月乒日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学 位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均 已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 作者签名： 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景 随着现代工业的快速发展，能源短缺成了人们必须面对的问题，为了能够最大限 度的节约能源和保护环境，降低现有工业装备的消耗，提高质热传递设备的效率一直 备受关注。质热传递过程在实际工程中无处不在，高效低耗的传质传热装置在生物化 工、医学领域内的反应器以及换热器等的设计中有着广泛的应用。随着生物工程技术 的发展，出现了能处理具有高粘度易损害的生物活体细胞的管式生物化工反应器，血 液充氧仪以及人工心肺机等装置，如何在较低的剪切速率条件下获得较高的质热传递 速率便成了应用中的一个突出问题。许多研究者对牛顿流体在二维通道和三维流路中 的流动进行了研究，大量的实验和数值模拟结果表明：流体振动与流动分离的结合可以 极大的提高传递速率，为设计开发高效、节能的质热传递设备的提供了重要参考。而非 牛顿流体在这方面的研究还鲜见报道。 由于非牛顿流体越来越多地出现在化工、食品、石油、医药等领域，非牛顿流体 的流动特性及传质传热成为近年来传质传热领域中的前沿性新课题。 1 2 前人研究成果的回顾 1 2 1牛顿流体在二维通道内的流动特性 很多研究者已经对二维通道内牛顿流体的流动特性进行了大量的研究。二维通道 即具有矩形截面的通道。研究发现，不同的通道形状可以引起质热传递效果的巨大差 异。二维通道可分为对称通道和不对称通道。常用的通道包括波壁通道、弧形通道、 沟槽通道、直壁通道等。除直壁通道外，其中比较常见的二维通道如图1 1 所示。 在图1 1 所示的对称波壁通道内，n i s h i m u r a 等【l j 利用实验研究和数值模拟相结合的 方法，对牛顿流体在波壁通道内的壁面剪切应力、压力降以及流型进行了深入的研究。 根据其压力差实验结果，将流动分成了层流、过渡流和湍流三个流域。在雷诺数低于 3 5 0 的层流流域内，随着雷诺数的增大，漩涡也不断增大，漩涡中心逐渐向下游移动。 当流动进入湍流区域后，漩涡尺寸随时间而不断改变，最后达到一个极限值。在层流 流域内，摩擦因子随着雷诺数的增加以斜率1 单调递减；在湍流域内，则随雷诺数的 变化几乎保持恒定。而在层流与湍流之间的过渡流域内，摩擦因子出现一个较大波 动，达到一个峰值。研究发现，壁面剪切应力在两个流域内分别以l 和3 2 为斜率线性 增加。n i s h i m u r a 等1 2 j 还考察了不同相位角对波壁通道内压力降的影响。图1 2 给出其相 位角矽为1 8 0 0 、9 0 0 、o o 的波壁形状示意图。由实验结果得出，在所研究的雷诺数范围 内，波壁通道的摩擦因子总是高于直壁通道，而且这种趋势随相位角的增大而更加明 定常和脉动流场下非牛顿流体在波壁管内的流动及结构特性 显。 正弦流路 21 21 3 沟撼流路 图1 1 典型的二维通道 f i g 1 1 s e v e r a lr e p r e s e n t a t i v et w o d i m e n s i o n a lc h a n n e l s 一1 8 0 p 一、一，一 一、一、一一一 一咿 八，飞、 一、一、一、 爹一o p 图1 2 相位不同的波壁通道 f i g 1 2w a v y w a l l e dc h a n n e l sw i t hd i f f e r e n tp h a s e l a g s n i s h i m u r a 等【3 1 对正弦和弧形两种壁面形状的通道进行了研究，发现从层流流域到 过渡流流域在两种壁面中的流线完全不同，如图1 3 所示，在雷诺数较低时，两种通道 内都为二维流动，然而，随着雷诺数的增加，壁面形状开始影响流动结构，在弧形的 通道内出现了比较规则的三维流动，而在相同雷诺数下的正弦壁面通道内则为稳定的 大连理工大学硕士学位论文 层流，这是因为在雷诺数小于临界雷诺数时在弧形通道内发生了不对称流动，这就导 致了弧形通道比正弦通道更早的向湍流过渡。s o b c y 等人通过数值模拟发现锯齿通道 内也存在类似现象。 n i s h i m u r a 等”】对二维波壁流通道的质量传递特性进行了详细研究。研究得出，在 层流流域内，平均质量传递s h 数与r c 数的1 3 成正比，在湍流流域内，平均传递s h 数与r e 数的3 5 成正比，如图1 4 所示。研究还发现在层流范围内，波壁通道内的传 递强化与直壁通道相比相差不大，然而，在湍流流域内波壁通道内的质量传递强化显 著增强。他们还研究了不同壁面通道内质量传递长度的影响，在层流流域内，s h 数随 传质长度的增大而增大，在湍流流域内，传质长度的影响可以忽略。 图1 3r e - 2 0 0 时两种通道内的流动状态 f i g1 3 t w o f l o ws n u c t 呲$ i n a r c - s h a p e da n d w a v y - w a l l e dc h a n n e l sa t r e = 2 0 0 由上述流动特性的研究可知，流动不稳定性与质量传递特性有密切联系。因而研 究者对二维通道内的流动不稳定性进行了大量研究，研究发现，在流动由稳定向不稳 定状态转化的过程中，存在一种称为t - s 波的周期性自持振动现象。研究者对其它二 维通道进行了大量实验研究和数值模拟，也发现类似行为。 g u z m a n 和m m o n l 6 , 7 及b l a n c h e r 等”1 分别用实验和数值模拟的方法来描述t - s 波的 总特征即当雷诺数低于临界值时，主流速度的振幅随时问逐渐衰减，如图15 f a ) 所 定常和脉动流场下非牛顿流体在波壁管内的流动及结构特性 示，图中纵轴表示主流速度u ；当雷诺数超过临界值时主流速度u 与截面速度v 以某 一振幅呈正弦波形波动，振幅不随时间的变化而变化，如图15 ( b ) 所示。 图1 4 平均肼数随r ：襄的变化图 f i g14a v e r a g es h e r w o o dn u m b e r v sr e y n o l d s n u m b e r 。：j 5 f 一 于 “7 飞黔，舢 i 07 6 5 0 v 4 一 lh 一_ 一- - 一 一一一4 一i 一j - 一 2 0 04 0 0 6 0 0 o5 0 07 q 0 1 2 5 0 t t mr e = 1 2 5r e = 4 0 0 图1 5 波壁通道内速度随时问的变化关系 f i g 15 t i m e h i s t o r i e so f v e l o e i 珥i na w a v y - w a l l e d c h a n n e l g h a d d a r 等t 9 , 1 0 i 在对凹槽通道的研究中得到了t - s 波的扰动曲线。数值结果表明 大连理工大学硕士学位论文 t - s 波引发了某一固定频率下的自我维持振动。w a n g 和v a n k a i l l l 利用数值模拟发现了 二维波壁通道中的t - s 波，它引发了自持振动，并最终导致波壁通道内流动结构的不 稳定，强化了热量传递过程。研究还发现其它形状的通道中也存在t - s 波，即t - s 波存 在于所有二维通道中，其自持振动频率与通道的几何参数有关。 一些研究还考察了无净流动的振动流流动特性。s o b e y1 1 2 , 1 3 佣数值方法对波壁通 道做了分析。研究结果表明，自持振动引起了漩涡周期性地形成、增长、脱落，从而 增强了流体混合，强化了热质传递效果。他们还指出，& 数强烈影响流动循环结构 ( 数为振动频率的无因次形式) ：当数较大时，流动受粘性影响支配；中等& 数 下，惯性影响支配流动；而当数较小时，流动则表现为准定常状态。结果表明，在 惯性影响支配流动的条件下质量传递强化最有效。n i s h i m u r a 等【1 4 , 1 5 】对正弦波壁通道内 流体流动及质量传递的特点进行了研究。他们发现，在粘性影响支配的流域内，质量 传递由定常流动强化；在惯性影响支配的流域内，在振动流内漩涡运动所产生的快速流 体混合作用下，可获得更大的质量传递强化。在对称和不对称两种波壁通道中， n i s h i m u r a 0 6 1 开展了振动流的研究。结果表明，在惯性影响支配的流域范围内，不对称 通道会获得更好的质量传递强化效果。 由定常流场迭加一个振动流场而形成的流场称为脉动流场。p a t e ra n dm i k i c t l 7 】提出 了动力学共振及其对热量传递的影响。研究发现，沟槽通道内，当叠加的这个小的流 体振动频率与水力学不稳定的自然频率相同时，即便是一个小的流体振动即可显著地 增强不稳定振幅，甚至在雷诺数低于发生自我维持振动的临界值r e c 时，从而强化了热 质传递。g r e i n e ri l 驯利用实验方法也获得了类似的结论。实验得出，在雷诺数接近临界 雷诺数时，叠加一个与t - s 波频率相近的振动流，能导致共振激励和传递强化，他们 称之为“共振强化”。图1 6 与1 7 描述了共振强化的两个特征，分别是：热量传递强化 因子e 随着雷诺数的增加而增加，与最大热量传递强化因子e 相对应的最佳& 数几乎 保持不变；在同一雷诺数下，最佳& 数随振动分率的变化范围在3 0 以内。n i s h i m u r a 等【2 u j 对脉动流场下不同尺寸的凹槽通道内进行了研究。研究发现，发生自我维持振动 的临界雷诺数r p 。随凹槽尺寸的增加而减小。在层流时叠加流体振动后得到的质量传 递强化效果较好。对于带有小尺寸凹槽的通道，最佳质量传递强化出现在中等& 数范 围内；而对于带有大尺寸凹槽的通道来说，质量传递强化因子的峰值不只一个，即存 在多个对应强化因子峰值的最优& 数。所以，在凹槽通道内，最优& 数与通道的凹槽 尺寸及雷诺数有关。此结论进一步证实了共振传递强化的存在，同时也表明质量传递 强化机理可能还存在其它解释。 n i s h i m u r a 等 1 9 , 2 0 1 还研究了波壁通道内的脉动质量传递强化机理。他们指出，脉动 流场下的质量传递速率跏p 可由定常流场及振动流场下的质量传递速率甄、观来表 示，即睇= s h 7 + s h o ，其中m 是与振幅有关的常数，取2 m 1 1 5 时，非牛 顿流体开始强化对流传热，r e 越高，传热强化效果越好，流体的阻力系数几乎不受粘 弹性的影响。接着，王红苗等【3 0 】用同样工作流体在小尺寸椭圆通道内进行了层流受迫 对流传热的研究，他们采用直接通电的方法对管壁四周等热流加热，通道截面和测温 点如图1 1 4 所示，长轴2 a = 10 m m ，短轴2 b = 5 m m ，厚为b = 0 5 m m 均匀壁厚的无缝成型 不锈钢管，横截面积为a = 3 9 2 5 m m 2 。结果表明，椭圆通道内，非牛顿流体c a r p o l 水溶 液的换热强于牛顿流体，约高出5 0 左右，说明粘弹性流体在椭圆通道内能产生二次 流并能强化换热；与同浓度的c a r b o p o l 水溶液在方形通道内的换热结果相比，椭圆通 道内的换热高于方形通道。 f 暑 、 哦 乏 - _ g - 图1 1 3c a r b o p o i t ( 溶液的剪切粘度与剪切速率的关系 f i g 1 13r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a rv i s c o s i t ya n ds h e a r r a t eo fc a r b o p o la q u e o u ss o l u t i o n 大连理工大学硕士学位论文 ii 一：一 厂i、 一 t l 一夕 1 1二 一 1 蠢。 图1 1 4 截面形状和测温点位置 f i g 1 14 c r o s s - s e c t i o ns h a p ea n dp o s i t i o no ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp o i n t s 肖青，王昂p l j 等以聚丙稀酰胺水溶液( 2 0 0 w p p m 、5 0 0 w p p m 、1 4 0 0 w p p m ) 为介质， 在雷诺数5 1 0 3 7 1 0 4 的范围内实验研究了此粘弹性流体在直管充分发展段和周期性 突扩突缩通道充分发展段的流动阻力特性，通道的形状如图1 1 5 所示，其中 d d = 1 7 1 4 ，l l l 2 = l 。实验结果表明此浓度范围内的聚丙烯酰胺溶液在直管中的阻力系 数比纯水中的降低4 0 ，而在周期性突扩突缩通道中无明显的减阻现象。徐佳莹、马 雅玲1 3 2 j 等用实验的方法研究了浓度为1 5 0 0 w p p m 的聚丙稀酰胺溶液在周期性渐扩渐缩 通道内层流流动与换热问题，通道形状如图1 1 6 所示，图中：l = 1 0 0 0 m m ，l = 2 0 m m ， h m a x = 7 9 9 m m ，h m m = 2 6 3 m m ，垂直于纸面方向的宽度w = 7 5 m m 。研究表明，大约经过 8 个周期后流动进入充分发展阶段，而换热需要大约2 0 个周期后才能进入充分发展阶 段，他们同时总结出了阻力系数和换热n u s s e l t 数随广义r e y n o l d s 数的变化关系式。杨 小玉、王秋旺、徐佳莹等1 3 3 j 将图1 1 6 尺寸进行修改：l = 1 0 0 0 m m ，l = 2 0 m m ， h m 积= 6 8 5 m m ，h m i n = 1 4 9 m m ，用实验的方法研究了两种不同浓度非牛顿流体( p a m 溶液) 在不同温度下的流变曲线以及在周期性通道内的流动与换热规律。实验结果表明， p a m 溶液的稠度系数随温度的升高而减小，如图1 1 7 所示，而流变指数随温度的升高 而增加，两种浓度p a m 溶液在周期性通道内的换热强度和阻力系数均比水高。 i i i 五量 j 一 一 一l l 一l r il 一 i 图1 1 5 凹槽通道实验段几何构型 f i g 1 15 t e s ts e c t i o no ft h eg r o o v e dc h a n n e l l l 定常和脉动流场下非牛顿流体在波壁管内的流动及结构特性 图1 1 6 扩缩通道实验段尺寸图 f i g 1 16 t e s ts e c t i o no ft h ec o n v e r g i n g - d i v e r g i n gc h a n n e l o 7 o - 6 0 。5 罡0 4 龠0 。3 o 2 o 。l o2 04 06 0 8 0l o o 1 2 01 4 01 6 01 8 0 r s - 1 图1 1 71 5 0 0 w p p m p a m 的流变曲线 f i g 1 17r h e o l o g i c a lc u r v eo f15 0 0 w p p mp a m 1 2 4 非牛顿流体在三维流路内的流动研究 郑永刚，谢翠丽【3 4 j 提出了圆管分层流动的新模型，并利用该模型研究了非牛顿流 体在圆管中的分层层流流动，得出了速度场的解析分布式，最后研究了分曾流动的阻 力规律，为分层掺气减阻提供了理论依据。研究表明，分层掺气可以在较大范围内实 现有效的减阻，如图1 1 8 所示。由图可以看出减阻率随含气量e 的减小( q o 增大) 而在 中间出现一个最佳减阻峰值。 郭风凤和管引3 5 】利用自行设计建造的流体阻力环道测试装置对o 号柴油在环道内 的力学性能进行了测试，测出了柴油是典型的涨塑性流体，测出临界广义雷诺数为 1 7 0 0 左右而小于牛顿流体的临界雷诺数2 1 0 0 ，说明非牛顿性流体的临界定量判据不再 是一定值，而与流体本身的流动特性相关。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 8 减阻率和含气量咖的关系 f i g 1 18r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd r a gr e d u c t i o nr a t ea n dt h ea i rc o n t e n t ( 邙i o ) 朱坚亭、许元泽【3 6 j 用混合迭代法求解了c a r r e a u 流体经波纹管蠕动流的阻力特性， 所考虑的固壁形状如图1 1 9 所示。发现流体的剪切变稀使流动阻力特性下降，其变化 形态与粘度本身相似，而拉伸流动的结果使流动阻力特性明显上升，即使对非弹性流 体，说明拉伸也对流动阻力特性有重大影响。 图1 1 9 固壁形状 f i g 1 1 9 s o l i dw a l ls h a p e 通过以上所述可知，已有研究对牛顿流体在二维通道及三维流路内的流动及传递 特性的描述比较充分，但对非牛顿流体的研究还相对较少，这为本研究确立具体的研 究内容提供了重要参考。 1 3 本课题研究内容及预期研究成果 本课题立足于前人的基础上，通过实验手段对定常和脉动流场下的三维管路中牛 顿和非牛顿流体的流动特性进行研究。结合流动可视化方法，其中将对净流动雷诺数 r e ，、振动分率尸和& 数三个实验参数对流动特性的影响进行详细的考察。预期取得 如下成果：1 结合流变特性描述定常流场下三维波壁管路内非牛顿流体的流动及结构 1 3 定常和脉动流场下非牛顿流体在波壁管内的流动及结构特性 特性；2 明确在脉动流场下上述参数对牛顿及非牛顿流体在波壁管中流动及结构特性 的影响。 大连理工大学硕士学位论文 2 实验设备及实验方法 21实验室主要实验设备 本实验室于2 0 0 3 年建成。经过不断完善，已具备了本研究的各项条件。实验室的 概况如图21 所示。图2 2 所示设备从左到右依次是、热交换器、示波器、函数发生器 及直流稳压电源。图2 3 、2 4 、2 5 、2 6 分别为奉研究所用的三维正弦波壁管、脉动装 置、毛细管粘度计及旋转粘度计照片。 图2 1 实验室装置 f i g21 l a b o r a t o r ye q u i p m e n t s 图2 2 主要实验设备 f i g2 2p m a e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 1 5 定常和脉动流场下非牛顿流体在波壁管内的流动及结构特性 图2 3 波壁管 f i g2 3w a v y - w a l l e d t u b e 图2 4 脉动装置 f i g2 4 p u l s a t i l e d e v i c e 连理工大学硕士学位论文 图2 5 毛细管粘度计 f i g2 5 c a p i l l a r y v i s e o m e t e r 图2 6 旋转粘度计 f i g2 6 r o t a t i o n a lv i s c o m e t e r 22 粘度测量装置 开前常用的测定流体粘度的仪器有两大类，一类是毛细管粘度计，只能测定流体 的运动粘度，另一类是旋转式粘度计，在工业生产和科研中用的较为普遍。目前旋转 式粘度计i ”1 国外发展较快，品种也很多。比较先进的有：具有多功能的德国h a a k e 1 7 定常和脉动流场下非牛顿流体在波壁管内的流动及结构特性 公司的旋转式粘度计和英国的卡瑞梦得控制应力粘度计等。国内旋转式粘度计的研制 与生产起步较晚。本研究对粘度的测量用了两种粘度计，一种是对表观粘度进行测量 的毛细管粘度计如图2 5 所示；另一种是对剪切粘度进行测量的中国成都仪器长生产的 n x s 1 1 a 型旋转式粘度计，如图2 6 所示。 2 3 定常流场实验装置 2 3 1测试系统的组成 本研究所用的定常流实验系统主要由蓄水箱、离心泵、转子流量计、测试段、溢 流槽及换热交换器组成。如图2 7 所示。离心泵为整个系统的循环提供动力，净流量由 转子流量计控制，系统出口端设置溢流槽的目的是消除重力的影响。循环系统中的工作 流体的温度由热交换器维持在2 5 的恒温状态下。 2 3 2 测试段的几何尺寸 本研究所用的测试段由入口段、正弦波壁管及出口段三部分组成，由透明有机玻 璃制成，入口段和出口段直径均与波壁管路的最大直径相同。入口段的作用主要是使 图2 7 定常流场实验流程简图 f i g 2 7e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rs t e a d yf l o w 图2 8 波壁管的尺寸 f i g 2 8 d i m e n s i o n so ft h ew a v y - w a l l e dt u b e 进入波壁管路的流动获得充分的发展空间，以消除入口效应。实验所用的两套波壁管 大连理工大学硕士学位论文 路均由1 4 个波段组成，每个波段波长均为a = 1 4 m m ，其中一套波壁管的壁面振幅 2 a = 3 5 m m ，最大直径耻1 0 m m ，最小直径d m j f = 3 m m ，称之为一号波壁管；另外一 套波壁管的壁面振幅2 a = 2 5 m m ，最大直径d m 甜= 1 0 m m ，最小直径d m f = 5 m m ，称之为 二号波壁管。两种波壁管的形状如图2 8 所示。一号波壁管路的几何尺寸与n i s h i m u r a 在二维通道实验中所用的波壁通道的完全相同，便于研究结果进行比较，第一套与第 二套波壁管路之间的流动特性同样可以进行比较。 2 4 脉动流场实验装置 脉动流场实验测试系统与定常流场的类似，脉动系统与定常系统相比只在波壁管 入口前端增加了一个活塞泵装置，如图2 9 所示。活塞泵的直径分别为1 0 m m 、1 5 m m 和2 0 m m ( 图2 4 ) 。净流动由离心泵提供，并通过转子流量计来控制流速。强制振动 流由可变速马达带动s c o t c h y o k e 装置驱动的活塞泵提供，其冲程和频率可以根据实验 方案而进行调节。 图2 9 脉动流场实验流程简图 f i g 2 9e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rp u l s a t i l ef l o w 2 5 沿程阻力测量系统 用u 型管压差计对测试段整体压力差进行测量。如图2 1 0 所示，测量时将u 型管 压差计的两端分别与测段的入口段和出口段上的测压口相连接。测试段前的入口长度 为1 1 3 0 m m ，两测试点之间的距离( l ) 为3 3 0 m m 。实验工作流体采用p a m ( 聚丙烯酰胺) 溶液和自来水，指示液采用四氯化碳，利用四氯化碳和工作流体的密度差对压力差进 行测定。 卸= ( 夕一p ) g z x h ( 2 1 9 ) 其中，p 是2 5 * ( 2 时c c l 4 ( 1 5 8 4 k g m 3 ) 的密度，p 为工作流体的密度 1 9 定常和脉动流场下非牛顿流体在波壁管内的流动及结构特性 图2 1 0 压力差测量系统 f i g 2 10 p r e s s u r ed r o pm e a s u r e m e n ts y s t e m 2 6 流动可视化测量系统 流动可视化系统如图2 1 1 所示。本研究的可视化实验采用铝尘法，工作流体为为 直径约4 0 p , m 的铝粒子的悬浊液，将观察到的铝粒子的迹线近似地看作流线。利用定 时拍照技术记录的铝粉粒子在波壁管中的运动轨迹来显示流动结构。 光源 入射狭缝 波壁管路 光控数码相机 图2 1 l流动可视化拍摄系统示意图 f i g 2 11 f l o wv i s u a l i z a t i o ns y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 为了获得轴对称的截面内流体的流动情况，用一个1 0 w 的应急灯，使其光源沿一 条平行于对称轴方向的窄缝射入所要观测的截面，然后使用一台与光电传感器相连的 数码相机来获取铝粉微粒迹线的可视化照片，从而记录波壁管内流动的流型。为了获 得较为稳定的实验结果，全部实验由空调和热交换器维持在恒温2 5 。c 下完成。 2 1 定常和脉动流场下非牛顿流体在波壁管内的流动及结构特性 3 研究结果的分析与讨论 本研究首先考察了非牛顿流体的流变特性，测量了沿程阻力，然后用可视化的方 法重点研究了牛顿及非牛顿流体在两种不同尺寸波壁管中的流动结构特点，并分析了 流动结果与强化混合的联系。 3 1 非牛顿流体基本特性 利用图2 5 和2 6 所介绍的两种粘度计，主要对p a m 溶液的在各种状况