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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

张亮  
【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。阐述了测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Re_s,振动分率P和振动频率St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Re_s,较大振动分率P和中等St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传递效果与水相比大大增强。


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