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圆管纤维悬浮流中粒子运动的研究

张卫峰  
【摘要】: 管道内纤维悬浮流是各种工业生产过程中广泛存在的一种流动,其在复合材料制造、环境、化工、纺织和造纸等领域都有应用,且其特性对这些领域的产品质量起着重要影响,故对管道内的纤维悬浮流的研究有着重要的意义。本文采用数值模拟的手段,从Lagrange法出发,利用细长体理论研究了大量纤维粒子在管流内的运动,并得出管道悬浮流的一些宏观特性。 首先,当管道内流动为层流时,分别利用从细长体理论出发得出的纤维二维受力公式和三维分段积分计算方法模拟了大量纤维在流场中的运动,然后在最终时刻统计了纤维的偏角分布,并得出相同的结果:随着Re数的增加,纤维粒子的偏角逐渐集中于小角度,即纤维轴线方向越来越集中于流向,此结果与实验吻合较好。然后通过考虑管道截面上的不同区域、改变纤维长径比和St数来研究他们对纤维偏角分布的影响,从而得出结果:随着计算区域从管道截面的中心向壁面的转移,纤维粒子的偏角分布逐渐集中于低角度;而纤维长径比和St数却对纤维的偏角分布没有明显影响。于是得出结论:纤维附近流体的速度梯度是导致纤维旋转的主要因素。 然后,在验证了湍流的简化方法的合理性后,利用三维分段计算方法和湍流简化方法模拟了大量纤维粒子在管道湍流内的运动,得出的结果为:湍流的脉动速度导致了纤维的偏角趋于无序,且随着Re数的增加,纤维偏角的分布越来越趋于均匀。同时又考虑了纤维速度和角速度的脉动,二者都充分体现了流体速度脉动的影响,且纤维速度的脉动在流向上的强度大于横向,而其角速度的脉动在流向上的强度小于横向。最后统计了纤维在管道截面上的位置分布,明显可以看出此时Re数的增加加速了纤维在管道截面上的位置扩散。


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