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定常流场下非牛顿流体在波壁管内的减阻特性

马宗豪  
【摘要】: 随着科学技术的发展,非牛顿流体的相关研究已经取得了非常重要的进展,尤其在生物领域研究更为深入。添加了聚合物和表面活性剂的非牛顿流体在水处理、石油开采以及生物化工等方面有着极为广泛的应用。国内外很多学者对二维、三维流路中的非牛顿流体进行研究,但对易于产生流动分离、强化热质传递的正弦波壁管的研究还未见报道,本文主要研究了定常流场下非牛顿流体在波壁管内的流动特性,重点研究了它的减阻特性,关注了非牛顿流体与牛顿流体的转捩点的变化,并辅以适当的数值模拟和可视化结果予以说明,具体内容如下: 第一章回顾了国内外的研究进展,总结了二维和三维流路内的非牛顿流体特性。现有研究结果表明,二维流路的研究比较早,也相对成熟,实验结果与数值结果比较吻合,三维圆管的研究早在50年代就被Toms发现:加入聚合物、添加剂能有效地降低流体的流动阻力,提高了管道间的传热效率,但是转悷点却明显延迟。目前对具有较高的质热传递速率的波壁管的研究却鲜见报道,这促使本研究进行相关探讨。 第二章介绍了本研究所采用的实验设备和测试方法。测试段选取D_(max)/D_(min)=3.3和D_(max)/D_(min)=2两种波壁管路,采用旋转粘度计和玻璃管粘度计测量了包括剪切粘度、剪切应力、表观粘度等在内PAM的基本物性。用自行设计的自循环实验系统对PAM聚合物溶液在波壁管内的流动特性进行了研究,并用铝尘法完成了波壁管路内的流动可视化。 第三章给出了实验结果并进行相关讨论。首先,分析了PAM聚合物溶液的流变特性曲线。其次,通过测试系统实验得到了PAM聚合物溶液在波壁管内的f-Re曲线,发现了PAM在波壁管内的减阻现象,通过不同浓度PAM溶液的比较,发现了其最佳的减阻浓度,并且过渡流对应的转捩点也发生了提前,同时利用可视化技术验证了转捩点提前的结论。运用FLUENT进行数值模拟,得到了流体的速度和压力分布,摩擦曲线与实验值很接近。 第四章总结了本研究的成果,第五章指明了将来的研究方向。


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