粘彈性流體微通道流動(dòng)特性及其強(qiáng)化混合應(yīng)用研究.pdf_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、常規(guī)尺度下流動(dòng)和換熱的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展,近些年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用領(lǐng)域的諸多研究向微型化,集成化發(fā)展,微流體領(lǐng)域的研究吸引了越來(lái)越多中外研究者的興趣。微流體流動(dòng)的主要特征是特征尺度和流速都較小,因此流動(dòng)雷諾數(shù) Re極低,慣性效應(yīng)可以忽略不計(jì),此時(shí)流體的粘性起主導(dǎo)作用,,對(duì)于常規(guī)牛頓流體,微尺度的流動(dòng)一般是穩(wěn)定的層流,這限制了微尺度通道內(nèi)流體的混合和傳熱效果。
  近些年的研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于含有少量高分子聚合物或表面活性劑等

2、具有粘彈性的流體,即使在很低的Re數(shù)下也可表現(xiàn)出由流體彈性主導(dǎo)的流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象,即彈性不穩(wěn)定性。描述這種粘彈性流體的動(dòng)量方程比常規(guī)牛頓流體增加一個(gè)彈性應(yīng)力項(xiàng),因此即便在極低Re下(流體的慣性非線性作用可以忽略不計(jì)時(shí)),此彈性應(yīng)力項(xiàng)也可以單獨(dú)作用引起彈性不穩(wěn)定流動(dòng)甚至湍流現(xiàn)象。所以,粘彈性流體這種可以在極低 Re下引發(fā)不穩(wěn)定流動(dòng)的特性,對(duì)于強(qiáng)化微流體的傳熱傳質(zhì)方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,獲得了令人滿意的效果。<

3、br>  本文通過(guò)直接數(shù)值模擬(DNS)手段對(duì)粘彈性流體在微尺度通道內(nèi)的流動(dòng)特性及其強(qiáng)化混合效果進(jìn)行了研究。本文通過(guò)對(duì)開(kāi)源CFD程序OpenFOAM的修改得到了粘彈性流體的計(jì)算程序,并通過(guò)計(jì)算槽道添加劑湍流減阻流動(dòng),驗(yàn)證了該計(jì)算程序的正確性。基于該程序模擬了粘彈性流體在彎曲微尺度通道內(nèi)的流動(dòng)特征,計(jì)算中采用的兩種彎曲微通道模型,一個(gè)具有一個(gè)圓弧,另一個(gè)有三個(gè)圓弧,均得到了彈性不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象,獲得了其主流方向及橫截面上的速度及流場(chǎng)中的渦結(jié)

4、構(gòu)及彈性應(yīng)力分布等,分析了粘彈性流體在彎曲微通道內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象的特征及其產(chǎn)生機(jī)理;基于上述結(jié)果,本文還研究了流動(dòng)的 Wi數(shù)和粘彈性溶液中聚合物分子的粘性系數(shù)對(duì)彈性不穩(wěn)定流動(dòng)的影響,給出了不同工況時(shí)的速度,彈性應(yīng)力及渦結(jié)構(gòu)的對(duì)比。
  此外,本文獲得了槽道流動(dòng)中粘彈性流體彈性不穩(wěn)定性流動(dòng)對(duì)強(qiáng)化流體混合的效果,得到了相同 Re數(shù)時(shí),牛頓流體和粘彈性流體的混合效果對(duì)比,結(jié)果表明粘彈性流體的彈性不穩(wěn)定性流動(dòng)能夠顯著的增強(qiáng)流體的混合效率。

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