纤维悬浮混合层及柱状粒子运动直接模拟的研究

【摘要】： 纤维悬浮流是自然界和各种生产工程中都广泛存在的流动，该流动在复合材料、环境、纺织、制药等诸多方面起重要的作用。因此对纤维悬浮流进行研究有重要意义。本文采用理论、数值模拟和实验的手段，从两个角度来研究一些具有代表性的纤维悬浮流场。 一是研究大量纤维在大尺度拟序结构中的分布规律。主要用到的方法是谱方法和细长体理论。研究结果表明：在拟序结构占主导地位的流场中，大涡结构对纤维的分布有强烈的组织作用；表征纤维跟随性的Stokes数对纤维的空间分布起控制作用，小Stokes数的纤维均匀分布在流场中，当Stokes数增加到O(0.1)时，在大涡中心的纤维将离心到涡的边缘；纤维在大涡中的取向分布受Stokes数的影响不大，主要受流场控制，流场的拉伸方向及强度对纤维的影响更大；随着Stokes数的增大，混合层中，上下两层纤维的混合效果变差；连续介质模型在预测纤维的取向方面仍然适用，但不能全面反映拟序结构占主导地位的纤维悬浮流的全部特征。同时，计算结果与实验进行了对比，发现符合得较好。 二是采用格子Boltzmann方法对纤维运动进行了直接模拟。对纤维运动进行直接模拟的意义，除了对纤维本身的运动有了最直接的了解之外，还对建立两相流模型的封闭方程有重要意义。对于单根纤维的沉降，其稳定取向是轴线与重力方向垂直的方向；纤维的沉降速度随长径比的增加而增加，但趋势变缓；纤维的横向漂移随长径比增加而增加；长径比在3左右的纤维，旋转到稳定取向的速度最快。壁面对纤维的作用使纤维离开壁面，并且使纤维的沉降速度下降；平行于纤维轴线的平面的影响较垂直于纤维轴线的壁面大；本文成功模拟了两根纤维在不同初始相对位置的沉降过程，详细地描述了两根纤维相互作用；总的来说，只要纤维通过尾流耦合作用，尾流对纤维沉降是起促进作用；在剪切流中，Jeffery轨道周期随着Reynolds数的增加而增加；利用不连续Galerkin有限元和谱元方法成功地将格子Boltzmann方法应用到非结构网格上，使格子Boltzmann方法能更好地描述曲线边界。