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弯管中纳米粒子两相流的研究

林培锋  
【摘要】:在流体介质中悬浮有纳米量级固态粒子的两相系统,可称为纳米粒子两相系统。在这种系统中,常规多相流较多关注较多的Saffman力、Magnus力等相对不再重要,而他们较多忽略的分子间van der Waals力,Brownian随机运动造成的碰撞等则需要重点考虑,从而使得理论研究较为困难;同时由于纳米粒子本身质量的微小,尺度在可见光的衍射极限附近,使得直接的实验观察也变得不太可能。 本文在概括分析了目前国内和国际上关于纳米粒子两相流的研究现状之后,将流场背景设定在工业应用中广泛存在于各种机械装置中的管道系统,以数值模拟手段为主,以理论分析为辅助,首次对多种截面(圆截面、方截面)旋转(或静止)平面曲线管道系统中的纳米粒子两相流进行了研究,详细讨论了多个无量纲参数如无量纲曲率、Reynolds数、Schmidt数、F数等对管道截面上纳米粒子的质量分布、管道壁面上的沉积增强、沉积效率的影响及管道内纳米粒子在时空尺度上粒径、几何分布偏差等的演变信息,较为全面的得到了若干重要成果。 对圆截面弯管中输运沉积的理论及数值结果显示:(1)在控制参数较小时,截面上粒子质量分数具有类似于轴向速度的分布模式;而当参数取中等值时,质量分数分布具有对管道截面上下对称的模式,等值线是一系列位于截面上下半圆区域内的封闭曲线;(2)Schmidt数(较小和中等大小时)增加,截面上粒子质量分数值降低,尤以最大值区域处为甚,而对分布模式的影响并非关键;(3)在各种参数大小时,粒子在外弯侧的沉积都最剧烈,相反地,内弯侧的沉积在里面最薄弱。 对圆截面弯管中纳米粒子布朗凝并的研究显示:(1)管道外弯侧的高质量浓度区域会被由离心力引起的二次流动拉长并推向更外侧;(2)其余的粒子动力学量如数量浓度、二阶矩M_2以及粒子尺寸都与质量浓度的分布有类似的特征;(3)Reynolds数的增加使得整个截面上粒子凝并的概率减小,粒子尺寸的增长速度也减小;(4)粒子尺寸分布的标准几何偏差随着Reynolds数和粒子初始参考尺寸的降低而增加。 旋转对曲线管道内粒子的影响主要体现在以下几点:(1)正旋转时,纳米粒子质量分数的分布与此类管道静止状态时的模式类似;逆旋转时,科氏力将推动纳米粒子质量分数的高值区域到弯道的内弯侧壁面;(2)管道正旋转或静止时,沉积“热点”在管道外弯侧管壁附近区域有;逆旋转时,沉积“热点”则出现在管道内弯侧壁面附近;(3)管道正旋转使得粒子沉积效率降低,而管道的高速度逆旋转只是轻微影响沉积效率。当两种二次流动并存时,相对沉积效率要大于静止情况时的值。 本文采用摄动法第一次解得纳米粒子在管道壁面上不同方位角处沉积增强因子的解析表达式及弯曲相对沉积效率表达式,得出无量纲曲率、Reynolds数和schmidt数分别对相对沉积效率有二阶、四阶和一阶影响;首次采用一种新提出的泰勒展开矩方法(TEMOM),在兼顾效率和计算代价的同时保证了准确性,对圆截面管道内粒子的凝并问题进行了求解,为更好地理解粒子的动力学行为提供了数值依据,也为后续对诸如粒子碰撞、表面生长等的研究提供了一个可行的方向。


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