粘弹性流体微通道流动特性及其强化混合应用研究

【摘要】：常规尺度下流动和换热的研究已经取得了较大的进展,近些年来,随着科学技术和工程应用领域的诸多研究向微型化,集成化发展,微流体领域的研究吸引了越来越多中外研究者的兴趣。微流体流动的主要特征是特征尺度和流速都较小,因此流动雷诺数Re极低,惯性效应可以忽略不计,此时流体的粘性起主导作用,,对于常规牛顿流体,微尺度的流动一般是稳定的层流,这限制了微尺度通道内流体的混合和传热效果。 近些年的研究发现对于含有少量高分子聚合物或表面活性剂等具有粘弹性的流体,即使在很低的Re数下也可表现出由流体弹性主导的流动不稳定现象,即弹性不稳定性。描述这种粘弹性流体的动量方程比常规牛顿流体增加一个弹性应力项,因此即便在极低Re下(流体的惯性非线性作用可以忽略不计时),此弹性应力项也可以单独作用引起弹性不稳定流动甚至湍流现象。所以,粘弹性流体这种可以在极低Re下引发不稳定流动的特性,对于强化微流体的传热传质方面具有广泛的应用潜力。一些学者已经对此进行了实验研究,获得了令人满意的效果。 本文通过直接数值模拟(DNS)手段对粘弹性流体在微尺度通道内的流动特性及其强化混合效果进行了研究。本文通过对开源CFD程序OpenFOAM的修改得到了粘弹性流体的计算程序,并通过计算槽道添加剂湍流减阻流动,验证了该计算程序的正确性。基于该程序模拟了粘弹性流体在弯曲微尺度通道内的流动特征,计算中采用的两种弯曲微通道模型,一个具有一个圆弧,另一个有三个圆弧,均得到了弹性不稳定流动现象,获得了其主流方向及横截面上的速度及流场中的涡结构及弹性应力分布等,分析了粘弹性流体在弯曲微通道内不稳定流动现象的特征及其产生机理;基于上述结果,本文还研究了流动的Wi数和粘弹性溶液中聚合物分子的粘性系数对弹性不稳定流动的影响,给出了不同工况时的速度,弹性应力及涡结构的对比。 此外,本文获得了槽道流动中粘弹性流体弹性不稳定性流动对强化流体混合的效果,得到了相同Re数时,牛顿流体和粘弹性流体的混合效果对比,结果表明粘弹性流体的弹性不稳定性流动能够显著的增强流体的混合效率。