【摘要】：彎道湍流是內(nèi)流流體力學(xué)和流體工程中復(fù)雜流動(dòng)的一個(gè)具有代表性的原型問(wèn)題,迄今為止,彎道中非牛頓流體的湍流問(wèn)題研究仍然是幾近空白。擬塑性流體是化學(xué)工業(yè)中極常見(jiàn)的一種非牛頓流體,其表觀黏度隨著剪切速率的增大而減小,具有剪切稀化的特性。目前已可見(jiàn)到國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)圓管和矩形截面直管道中擬塑性流體湍流的實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬研究的報(bào)道,但針對(duì)彎道流動(dòng)而言,非牛頓流體流動(dòng)的研究遠(yuǎn)不如牛頓流體流動(dòng)充分。為此,本文采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法研究大曲率方截面彎道中擬塑性非牛頓流體的湍流流動(dòng),試圖彌補(bǔ)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究與認(rèn)識(shí)上的不足之處。本文的主要內(nèi)容如下：(1)大曲率彎道中擬塑性流體流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究采用剪切稀化特性明顯的羧甲基纖維素鈉(CMC)溶液作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì),在流變學(xué)物性測(cè)量的基礎(chǔ)上,使用超聲多普勒測(cè)速儀(UDV)和高精度高分辨壓力傳感器詳細(xì)測(cè)量了大曲率方截面彎道中擬塑性流體湍流的平均流場(chǎng)和湍流脈動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)觀察了層流和湍流狀態(tài)下彎道各截面內(nèi)CMC溶液流動(dòng)不均勻性的特征,并與牛頓流體的經(jīng)典彎管實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。研究發(fā)現(xiàn),層流狀態(tài)下CMC溶液在彎道進(jìn)口截面內(nèi)的速度分布已受到彎道下游影響發(fā)生偏移。由于剪切稀化效應(yīng),近壁區(qū)主流速度梯度比牛頓流體大,等高線更加密集。主流區(qū)速度梯度則較小,分布較為均勻。湍流狀態(tài)下,動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量結(jié)果顯示CMC溶液仍具有牛頓流體湍流流動(dòng)的多尺度特征。(2)適用于冪律非牛頓流體的高精度高分辨有限體積算法研究針對(duì)冪律流體計(jì)算時(shí)可能出現(xiàn)的奇異性以及因此導(dǎo)致的算法不穩(wěn)定性問(wèn)題,發(fā)展了一種適用于冪律非牛頓流體三維流動(dòng)的高精度有限體積算法。使用規(guī)正變量與空間方法(NVSF)和延遲修正方法引入高階精度對(duì)流格式,既提高了計(jì)算精度又增加了數(shù)值算法的穩(wěn)定性。采用了基于OpenMP的多核并行方法分配程序任務(wù)來(lái)提高計(jì)算效率。為考核算法的可靠性,計(jì)算了長(zhǎng)直方管和大曲率彎管中擬塑性流體的層流流動(dòng),預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,驗(yàn)證了該數(shù)值方法的正確有效性。(3)彎道湍流計(jì)算基礎(chǔ)模型的考核考核了五種常見(jiàn)的兩方程渦黏性湍流模型在三維彎管流動(dòng)中的適用性,對(duì)各模型的計(jì)算效率、主流速度、二次流、壓力分布和湍流參數(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)地比較。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于全三維彎管和準(zhǔn)二維彎管的湍流計(jì)算,相比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和SST k-ω模型,低雷諾數(shù)JL模型和LS模型的預(yù)測(cè)能力更強(qiáng),其中低雷諾數(shù)LS模型的湍流參數(shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度最高。通過(guò)研究比較,選定低雷諾數(shù)LS模型作為進(jìn)一步計(jì)算研究彎道中擬塑性非牛頓流體湍流的基礎(chǔ)模型。(4)彎道中擬塑性非牛頓流體湍流的數(shù)值模擬研究對(duì)基礎(chǔ)湍流模型進(jìn)行了冪律修正,將非牛頓流體的流變性引入低雷諾數(shù)k-ε模型,結(jié)合建立的適用于冪律流體的高精度數(shù)值算法,數(shù)值模擬研究了大曲率方截面彎道中擬塑性非牛頓流體的湍流流動(dòng),并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明,主流平均速度預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分布趨勢(shì)一致,吻合良好,表明了本文方法與模型的有效性。在彎道及其下游平直恢復(fù)段內(nèi),擬塑性流體湍流脈動(dòng)動(dòng)能最大值均出現(xiàn)在彎管側(cè)壁附近。彎道軸向和徑向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度從截面中心到彎管外壁逐漸增大,而在彎道下游的延伸直段,擬塑性流體軸向和徑向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度在從截面中心向彎管外壁的方向上呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。通過(guò)本文研究,一方面實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得了大曲率方截面彎道內(nèi)擬塑性非牛頓流體湍流平均流場(chǎng)和壓力脈動(dòng)特性的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料,為擬塑性流體湍流的數(shù)值計(jì)算研究提供了考核依據(jù)。另一方面,采用冪律修正的低雷諾數(shù)LS模型結(jié)合適用于冪律流體的高精度算法數(shù)值模擬研究彎道中擬塑性流體的湍流流動(dòng),初步給出了彎道擬塑性流體湍流參數(shù)的詳細(xì)信息,為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大曲率彎道中擬塑性非牛頓流體的湍流流動(dòng)提供了基礎(chǔ)。
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【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O373;O357.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2444689