【摘要】：粘彈性流體湍流減阻流動是非牛頓流體動力學(xué)研究領(lǐng)域的熱點問題之一。自Toms發(fā)現(xiàn)添加劑湍流減阻現(xiàn)象至今,國內(nèi)外學(xué)者從理論、實驗和數(shù)值模擬三方面對這一添加劑湍流減阻技術(shù)開展了大量的研究工作,取得了顯著的研究進展,如湍流減阻機理、最大減阻率漸近線以及減阻技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用等。但目前仍存在諸多問題有待解決,如提出更為全面的湍流減阻機理、高雷諾數(shù)湍流減阻流動大渦數(shù)值模擬方法等。當前,學(xué)者們對粘彈性流體湍流減阻領(lǐng)域的關(guān)注熱點在于具有壁面效應(yīng)的流動中,如管道、槽道和邊界層等。壁面的存在將導(dǎo)致流動的不均勻性,研究粘彈性流體分子微觀結(jié)構(gòu)與旋渦結(jié)構(gòu)的相互作用則更為復(fù)雜。然而,在無壁面效應(yīng)的各向同性湍流中,流體粘彈性的存在并未改變流動中的動量輸運,但卻能影響不同尺度間的能量傳遞過程。因此,研究粘彈性流體各向同性湍流將對湍流減阻流動特性及機理的認識具有重要的學(xué)術(shù)價值。本文首先采用了雙振蕩網(wǎng)格同步相向/反向運動的思想,設(shè)計了雙振蕩網(wǎng)格湍流實驗系統(tǒng),實現(xiàn)了高雷諾數(shù)近似各向同性湍流。選取典型的具有粘彈性特性的兩類減阻劑水溶液—高聚物和表面活性劑水溶液。采用Kinexus Pro系列旋轉(zhuǎn)流變儀測量了減阻水溶液的剪切粘度特性。結(jié)果表明,不同濃度的聚丙烯酰胺(PAM)水溶液和聚氧化乙烯(PEO)水溶液的剪切粘度都存在剪切稀變特性,而表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨/水楊酸鈉(CTAC/Na Sal)水溶液的剪切粘度展現(xiàn)出了稀變-增稠-再稀變過程。其次,采用粒子圖像測試技術(shù)(PIV)開展粘彈性流體雙振蕩網(wǎng)格湍流實驗研究,分析了流動速度場特征以及湍流重要參數(shù)(如積分尺度、Taylor微尺度、湍動能等);研究結(jié)果表明,流體粘彈性的存在顯著地影響上述流動參數(shù)。提出了基于湍動能來定義流動減阻率的方式,結(jié)果顯示:在無壁面效應(yīng)的雙振蕩網(wǎng)格湍流中,粘彈性流體流動同樣表現(xiàn)出較為顯著的減阻效果,并發(fā)現(xiàn)在CTAC/Na Sal水溶液工況中存在一臨界減阻濃度。從湍動能譜和速度能譜闡述了流體粘彈性對能量輸運過程的影響。通過速度偏導(dǎo)數(shù)的高階關(guān)聯(lián)函數(shù)分析,發(fā)現(xiàn)粘彈性流體抑制了流動中的小尺度間歇性。再次,基于PIV數(shù)據(jù)庫,采用本征正交分解(POD)方法和小波變換方法研究雙振蕩網(wǎng)格湍流中渦結(jié)構(gòu)的多尺度特性�；赑OD分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于粘彈性流體流動工況,僅需少量的POD本征函數(shù)即可捕捉流動中的相干結(jié)構(gòu),這說明流動中的相干結(jié)構(gòu)受到了抑制,展現(xiàn)出較為明顯的減阻效果�；贒aubechies小波變換研究不同尺度渦結(jié)構(gòu)特性,結(jié)果表明:在同一較小分解尺度上,流體粘彈性的存在顯著改變了小尺度渦結(jié)構(gòu)特性;此外,在所有分解尺度上,粘彈性流體對間歇性的貢獻要小。最后,從網(wǎng)格振蕩頻率、溶液濃度、減阻劑種類和網(wǎng)格分形特性四個方面出發(fā),研究其對典型減阻溶液流動中經(jīng)典Kolmogorov p/3標度律、擴展自相似標度律和層次結(jié)構(gòu)標度律的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)上述四個參數(shù)均影響了流動中的標度律關(guān)系,且所有流動工況中的標度指數(shù)均偏離了Kolmogorov p/3標度律,并展現(xiàn)出了奇異特性。此外,分析層次結(jié)構(gòu)標度律中的間歇參數(shù),再次發(fā)現(xiàn)流體粘彈性的存在抑制了流動中的間歇特性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O373
【圖文】：

3的空調(diào)水系統(tǒng)內(nèi)添加表面活性劑，第一年期間平均減阻率達到57%（如圖1-1所示），節(jié)約泵用電量61萬kW·h，以當時當?shù)仉妰r12日元/(kW·h)計算，可節(jié)約資金732萬日元（約合人民幣55萬元），而第一次投入的表面活性劑減阻劑費用只有64.8萬日元（約合人民幣5萬元）；同時，還可減少CO2的排放量。目前這一空調(diào)冷凍水系統(tǒng)仍在正常運行中[7]。圖1-1 基于添加劑湍流減阻技術(shù)的泵功耗變化過程：SONY公司某空調(diào)水系統(tǒng)[7]Fig.1-1 The change of power-consumption of pump based on turbulent drag-reducingtechnique: one air-conditioning cooling system in SONY company[7]

圖 1-2 猝發(fā)過程的定性描述[41]Fig.1-2 Qualitative depict of bursting process[41][15]研究表明流向渦在壁面湍流減阻中發(fā)揮著重要構(gòu)與低速條帶的振蕩、低速流體的噴射等過程相互期減少，即降低了相干結(jié)構(gòu)的猝發(fā)頻率，且加寬了

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文觀結(jié)構(gòu)（剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)）處于湍流減阻的最佳狀態(tài)al 水溶液流動 f 達到該溶液濃度和流體溫度下的最小值，同；（3）狀態(tài) III，即 Rec< Re < Re2區(qū)，CTAC/NaSal 水溶加而增大，這是因為 Re 數(shù)增加使流動中剪切應(yīng)力增強，結(jié)構(gòu)；（4）狀態(tài) IV，即 Re> Re2區(qū)，由于流動中剪切應(yīng)力結(jié)構(gòu)被完全破壞，減阻失效，最終 CTAC/NaSal 水溶液流。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 王悅;聚合物水溶液雙振蕩網(wǎng)格湍流實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

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本文編號：2793085