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FLUENT在粘弹性流体流动数值模拟中的应用

郑智颖  
【摘要】:将高分子聚合物或表面活性剂加入水中可使湍流流动减阻率达到80%,其可观的实际应用价值得到了学者们的广泛关注。目前,对粘弹性流体湍流减阻现象的定量预测多集中在低参数的理论层面,缺少适用于工程应用系统设计的数值模拟方法。因此本文对工程中广泛应用的CFD数值模拟软件FLUENT进行二次开发,采用其提供的用户自定义函数编写粘弹性流体的动量方程及变形率输运方程,并将其加载到FLUENT软件中,从而实现对粘弹性流体流动的数值模拟。 首先介绍了顶盖驱动方腔流和平面突扩流动数值模拟中采用的计算模型、控制方程、粘弹性流体本构模型和数值计算方法,对用户自定义函数理论及粘弹性流体模型通过用户自定义函数在FLUENT中的加载实现进行了详细介绍。 其次,对不同Re数和Wi数下的粘弹性流体顶盖驱动方腔流进行了数值模拟,采用Oldroyd-B模型并引入人工粘性项。通过分析速度分布、涡量分布、主涡涡心位置和二次涡等物理量随Wi数的变化,并与已有研究结果进行对比,证明了采用FLUENT二次开发模拟粘弹性流体流动的可行性。对粘弹性流体流动特性的研究表明,在一定的Wi数下会在二次涡的下方形成旋转方向与之相反的三次涡;随着Wi数的增大,速度场和变形场均会出现复杂的变化,如主涡下方和方腔左上角二次涡的出现及其大小随Wi数的增大而增大的现象。 最后,基于FENE-P模型对粘弹性流体平面突扩流动进行了数值模拟,分析发生不对称流动的临界Re数、涡结构的大小和不对称性随Wi数、分子拉伸长度、溶剂粘度比和Re数的变化、低Re数下突扩处中线上速度增大的现象和能量损失随Re数的变化,并将结果与已有研究结果进行对比,进一步证明了采用FLUENT二次开发对粘弹性流体流动进行数值模拟的可行性。通过分析速度场信息和变形场信息,发现小Re数下存在弹性不稳定现象;此外,同一点上不同参数的变化周期相同,而不同点上的同一参数则具有不同的变化周期;当弹性不稳定发生后,流动由开始的对称状态转化为不对称状态;随着Wi数的增大,流动达到定常所需时间增加,弹性不稳定发生时间减小,从不稳定发生到形成周期性变化所需时间减少,周期性变化的周期略有增大,监测的所有参数的周期性变化的振幅均增大。


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