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粘弹性流体在管道内流动的动态响应分析

粘弹性流体在管道内流动的动态响应分析

作者：董舒凡山东大学

学位级别：硕士

多孔介质中流体的流动在于自然界和各种工程问题中非常常见。许多流动问题是在压力驱动下流体流动产生的,因此涉及到多孔介质中流体对压力频率的响应。本文的主要研究是描述在周期性压力驱动下不同粘弹性流体在多孔介质中振荡流动特性,... 详细信息

多孔介质中流体的流动在于自然界和各种工程问题中非常常见。许多流动问题是在压力驱动下流体流动产生的,因此涉及到多孔介质中流体对压力频率的响应。本文的主要研究是描述在周期性压力驱动下不同粘弹性流体在多孔介质中振荡流动特性,其中包括Jeffrey流体、分数阶Maxwell流体。分别讨论通过流体在管道内的渗透率描述流体的动态响应现象;当管道发生振荡时,通过求解管壁与流体之间的摩擦偏差函数,描述流体的振荡流动情况。本文第一部分主要研究粘弹性流体在直圆管内的振荡流动。在轴向施加振荡压力梯度,流体在压力作用下发生流动。利用傅里叶变换将问题从时域转换到频域,通过无量纲变换,得到流动速度的解析解与无量纲动态渗透率的表达式,并通过分析无量纲动态渗透率与无量纲压力频率之间的关系去描述流体的流动情况。以Jeffrey流体、分数阶Maxwell流体为主要研究对象,在特定的物理参数下得到流体速度的解析解表达式以及无量纲渗透率与前人的研究结果相吻合,验证解析解的准确性以及有效性。研究结果表明Deborah数的增加即松弛时间的增加会使得流体的动态渗透率加强,对于系统来说,共振状态会增强;对于Jeffrey流体粘弹性参数的增加,会减弱流体的渗透率,而在α较大时,粘性效应占主导地位,流体流动产生的振荡现象不明显;对于分数阶Maxwell流体分数阶微分参数较小,共振现象强烈,而分数阶微分参数较大时,共振现象较弱。此外分析了无量纲动态渗透率最大值以及无量纲动态渗透率最大值出现的频率与Deborah数的关系,给出不同粘弹性参数以及分数阶微分参数情况下动态渗透率的最大值,这对于提高流体在管道内的流速,有着重要的研究意义。第二部分在压力驱动下进一步考虑管道振荡对于流体流动的影响。当管道振荡时,管道与流体之间会产生相对运动导致流体与管壁产生摩擦,摩擦力的存在会影响管道内流体流动,因此讨论管道振荡对于流体流动具有重要意义。通过求解粘弹性流体在振荡管道内的流动方程,根据流体的物理性质和管道半径,得到壁面总的摩擦力2πaτ与平均速度的比值去描述摩擦偏差,从而描述流体与壁面之间的摩擦偏离情况,并通过摩擦偏差与频率之间的函数关系分析系统从耗散状态到弹性状态的变换。在固定的物理参数下,摩擦偏差函数的振幅随着频率的增加,共振峰的数目减少,振幅减小,系统逐渐趋于稳定状态,共振状态主要发生在低频率下,高频率下系统共振状态减弱。此外分析Deborah数、粘弹性参数以及分数阶微分参数对于系统粘弹性状态的影响。

关键词：粘弹性流体动态渗透率振荡流动动态响应

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环空套管内粘弹性流体

应用数学学报 1996年第1期19卷 10-14页

作者：刘慈群黄军旗中国科学院渗流流体力学研究所北京师范大学资源与环境科学系

本文用Ｈａｎｋｅｌ积分变换的方法分别给出了，二阶流体和Ｍａｘｗｅｌｌ流体在环形套管内不定常旋转运动方程的解析解．据此可以分析旋转速度和切应力分布的变化特征，为占井工程设计提供理论依据。

关键词：环空套管粘弹性流体旋转流不定常流

基于SPH及形状约束的粘弹性流体的实时模拟

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小型微型计算机系统 2013年第11期34卷 2626-2629页

作者：唐勇陈静吕梦雅燕山大学信息科学与工程学院河北省计算机虚拟技术与系统集成重点实验室河北秦皇岛066004

模拟粘弹性流体时由于求解Navier-Stokes(NS)方程的粘弹性项或模型复杂很难实现实时性模拟.在基于Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)粒子模拟流体的基础上,利用形状约束算法控制粒子的运动规律保持流体形状从而实现粘性的效果,因此... 详细信息

模拟粘弹性流体时由于求解Navier-Stokes(NS)方程的粘弹性项或模型复杂很难实现实时性模拟.在基于Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)粒子模拟流体的基础上,利用形状约束算法控制粒子的运动规律保持流体形状从而实现粘性的效果,因此避免了传统方法中的复杂求解过程,达到了高效快速的模拟效果;通过对求得的流体和固体的速度进行线性插值得到最后的速度,有效的保留了各自的运动属性,调节插值系数可以快速实现介于流体和弹性固体之间不同粘度流体的模拟.试验表明:此方法能够近似模拟出粘弹性流体的运动,包括牛顿流体的飞溅和粘弹性流体的碰撞、融合等真实效果.

关键词： SPH 形状约束粘弹性流体实时模拟

内外单螺带—锚搅拌槽中粘弹性流体的流速分布和混合时间

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浙江大学学报（自然科学版） 1989年第1期23卷 39-48页

作者：王凯朱秀林潘祖仁浙江大学化工系

本文用照相法测定了内外单螺带锚搅拌槽中高粘牛顿流体和粘弹性流体的流速分布,用示踪粒子法和脱色法分别测定了循环时间和混合时间,结果发现: (1)在低Re~*数下,对于同一转速,粘弹性流体的切向速度大于牛顿流体,而轴向速度则小于牛顿流... 详细信息

本文用照相法测定了内外单螺带锚搅拌槽中高粘牛顿流体和粘弹性流体的流速分布,用示踪粒子法和脱色法分别测定了循环时间和混合时间,结果发现: (1)在低Re~*数下,对于同一转速,粘弹性流体的切向速度大于牛顿流体,而轴向速度则小于牛顿流体。 (2)在槽中的低剪切区,两种流体的剪切率分布相差不大,而高剪切区的剪切率和全槽平均剪切率都是粘弹性流体的大。 (3)粘弹性流体的混合时间NT_M和循环流量N_q与牛顿流体和假塑性流体相比分别增加一倍和降低70％右左。

关键词：搅拦粘弹性流体流速

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粘弹性流体在滑动轴承中的效应

力学学报 1984年第4期 333-339页

作者：陈文芳蔡扶时北京大学

本文选取具有应力过量现象的Oldroyd流体作为润滑剂模型,从理论上研究滑动轴承的润滑问题。选取无量纲化的松弛时间为摄动参数,用摄动法求解,发现弹性效应是增大承载能力和摩阻。

关键词：粘弹性流体润滑问题力学学报本构方程陈文润滑剂非牛顿流体特征方程滑动轴承非牛顿效应

温度调制下粘弹性流体Rayleigh-B(?)nard对流的稳定性研究

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温度调制下粘弹性流体Rayleigh-B(?)nard对流的稳定性研究

作者：孙秋蕾山东大学

学位级别：硕士

对流的稳定性问题因其在自然界和生活生产上的普遍应用而受到众多研究者的关注,其中浮力驱动的热对流问题是目前受到最大重视的一个领域。流体层中的温度梯度引起流体微团密度变化,从而受到浮力作用产生对流,这是Rayleigh-Benard对流发... 详细信息

对流的稳定性问题因其在自然界和生活生产上的普遍应用而受到众多研究者的关注,其中浮力驱动的热对流问题是目前受到最大重视的一个领域。流体层中的温度梯度引起流体微团密度变化,从而受到浮力作用产生对流,这是Rayleigh-Benard对流发生的原理,而当温度梯度在流体层中分布不均时热对流的稳定性问题是本文研究的重点。文中分别对粘弹性流体饱和的多孔介质层在温度调制作用下对流稳定性和纯流体层在外部电场和温度调制双重作用下的电热对流稳定性展开分析。第一部分研究中考虑多孔层中流体的低速渗透采用Darcy-Brinkman对流模型,在上下边界施以瞬变的加热或冷却使流体层内温度梯度保持不均。通过伽辽金法将多孔层中流体的速度场和温度场转换为时变系数的常微分方程,并求解出时变系数以表示流场随时间变化情况。以无量纲量瑞利数作为确定对流发生条件和稳态对流的失稳条件的控制参数,研究对流稳定性在有无温度调制下的不同。结果表明,粘弹性流体的静止解失稳形态存在向稳定对流解的转换与振荡解过渡两种方式,由流体的粘弹性参数决定。在温度调制的影响下静止解的稳定性变化不大,对流解的稳定性降低,混沌现象出现时的瑞利数变小。在取不同瑞利数时的系统状态以时变系数之间的相平面投影得以展示,温度调制引起的变化也被具象化,如有限幅度振荡、混沌吸引子的出现等。第二部分研究则对外电场和不均温度梯度下的纯粘弹性流体对流稳定性问题采用摄动法将速度和瑞利数以温度调制幅度为小参数进行幂级数展开,从而将热瑞利数分为无调制情况下的临界瑞利数和温度调制引起的修正瑞利数两部分。文中考虑三种温度调制,分别为上下边界的同相位调制、不同相位调制和仅对下边界进行的单边温度调制。求解三种温度调制采用任意频率时引起的修正瑞利数可表征不同频率温度调制对对流稳定性的影响以及不同类型温度调制的特点。经对比发现,同相位调制对系统稳定性始终为减弱作用,而另两种温度调制在低频时可增强系统稳定性,高频时则减弱稳定性。三种温度调制在高频时对稳定性的减弱效果均随着频率的不断升高而衰减。通过控制表征外电场对对流的驱动作用的电瑞利数可发现电瑞利数对未调制系统稳定性有降低作用,相应地受到的温度调制影响也更小。同时,流体的应力松弛时间和应变延迟时间对温度调制下对流稳定性的影响也在文中给出了具体的分析。应力松弛时间可增强温度调制对稳定性的破坏作用,使系统稳定性降低,而应变延迟时间截然相反。

关键词： Rayleigh-Benard对流粘弹性流体温度调制多孔介质外电场

撞击流反应器内粘弹性流体混合机理的实验研究与数值模拟

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撞击流反应器内粘弹性流体混合机理的实验研究与数值模拟

作者：徐旭东华东理工大学

学位级别：硕士

撞击流作为一种能显著强化流体混合的手段,近年来在能源、化工、生物等领域中被广泛应用,而在这些领域中所使用流体往往同时具有弹性和粘性。因此研究撞击流反应器内粘弹性流体的流动及混合特征具有重要意义。本文通过实验和数值模拟相... 详细信息

撞击流作为一种能显著强化流体混合的手段,近年来在能源、化工、生物等领域中被广泛应用,而在这些领域中所使用流体往往同时具有弹性和粘性。因此研究撞击流反应器内粘弹性流体的流动及混合特征具有重要意义。本文通过实验和数值模拟相结合的方法,系统研究了十字型撞击流反应器内粘弹性流体的流动特征以及结构参数对流动与混合的影响规律。具体内容如下:1.采用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对十字微通道内的流动模式和混合特性进行了可视化研究,重点考察了不同聚合物溶液浓度下微通道内流动模式随雷诺数的变化。随着聚合物溶液浓度的增加(0.01%≤c≤0.3%),流体弹性效应增强,微通道内低聚合物溶液浓度下出现惯性弹性非稳态振荡使得混合进一步增强;而在较高浓度下,通道内出现弹性主导的非稳态振荡,弹性非稳态振荡在韦森伯格数(Wi)和雷诺数(Re)较低时具有周期性特征,随着Wi和Re增大,振荡周期减小且趋于不规则。2.研究了十字微通道纵宽比(AR)和通道尺度对不同性质流体在通道中流动的影响,揭示了不同结构十字微通道内流动模式的转变及混合强化手段。对于聚合物溶液,通道纵宽比的增加使得聚合物分子更易拉伸从而强化流体的弹性效应,当聚合物溶液浓度c=0.3%时,稳态对称流型和弹性非稳态振荡流型之间出现一种稳态非对称流型。当十字微通道尺度增大时,随着聚合物溶液浓度增加,非稳态吞噬流的临界雷诺数增大,较高聚合物溶液浓度下非稳态吞噬流消失。对于6 mm十字通道,加入浓度为0.1%的聚合物溶液也可以达到混合强化的效果;但对于1 cm十字通道,聚合物溶液的加入对混合效果的影响并不大。3.在上述研究基础上,对十字通道内牛顿流体和粘弹性流体的流动进行了数值模拟研究,模拟结果与实验结果基本相符。结果表明,在十字通道内通道纵宽比的减小会抑制吞噬流涡旋结构的形成,使中心涡的涡量和尺度均有所下降,稳态吞噬流的临界雷诺数也随之增加。对于粘弹性流体,当Wi增大到临界值时通道内会出现弹性主导的稳态非对称流型,该流型由较大的拉伸应力和流线曲率共同作用所导致。

关键词：撞击流粘弹性流体混合激光诱导荧光数值模拟

RB-SiC反射镜Si改性层的粘弹性流体超光滑抛光技术研究

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RB-SiC反射镜Si改性层的粘弹性流体超光滑抛光技术研究

作者：刘笑山东大学

学位级别：硕士

随着航空航天事业的发展,对具有复杂型面的太空望远镜反射镜的面形精度和表面质量要求越来越高,需求量也越来越大。反应烧结碳化硅(RB-SiC)因其优异的物理、化学和机械性能成为大口径反射镜的主要材料之一。由于RB-SiC中硅相和SiC相存... 详细信息

随着航空航天事业的发展,对具有复杂型面的太空望远镜反射镜的面形精度和表面质量要求越来越高,需求量也越来越大。反应烧结碳化硅(RB-SiC)因其优异的物理、化学和机械性能成为大口径反射镜的主要材料之一。由于RB-SiC中硅相和SiC相存在硬度差异,必须对表面进行非晶硅改性后才能通过抛光获得超光滑表面。研究新的超光滑表面抛光方法,解决现有的超光滑表面抛光方法存在的抛光效率低、成本高和表面异常腐蚀等问题,对于大口径RB-SiC反射镜的超精密加工具有重要的意义。本研究提出一种应用新型水性粘弹性抛光流体的内循式超光滑表面抛光方法,基于抛光流体的流变性和壁面滑移特性研究,建立了流体本构方程,优选了流体配方和抛光工艺参数,实现了单晶硅和非晶硅的超光滑表面抛光。研制出了以吸水树脂与增稠剂复配水凝胶为载体的水性粘弹性抛光流体,证明了该抛光流体具有爬杆效应和挤出胀大现象,抛光流体中的磨粒不发生沉降,稳态粘度随着剪切速率先增大后减小;通过观测抛光流体的微观形貌,发现流体表面分布了大量磨粒,内部是三维网状结构;抛光流体的流变性实验研究发现流体的动态粘弹特性随着吸水树脂浓度的增大而增大,随着磨粒的质量分数增大而增大,随着磨粒的粒径增大而减小。通过Mooney法证明了该抛光流体具有壁面滑移特性,流体的壁面滑移速度随着剪切应力的增大而增大;选用PTT非牛顿流体本构模型,利用流体仿真软件Polymmat拟合了本构模型的系数,建立了水性粘弹性抛光流体的本构方程。利用流体动力学仿真软件Polyflow对抛光流体在抛光盘流道中的流动状态进行了数值仿真研究,分析了不同槽深、不同入口流量及不同壁面滑移条件对抛光流体的压力、壁滑速度、剪切速率的影响,为抛光工艺参数的选择与实验系统的搭建提供依据。研制了内循环式抛光系统。首先对研磨单晶硅表面进行抛光实验研究,获得了槽深、磨料种类、磨料粒径和质量分数对硅片表面粗糙度和材料去除率的影响规律,发现本抛光方法可通过磨粒对硅的塑性域材料去除方式获得光滑表面;对不同初始表面质量的单晶硅片进行了抛光,初始粗糙度Ra约为lOnm的硅片,粗糙度降低到6.18nm;初始粗糙度为约1nm的硅片,保持表面粗糙度基本不变的情况也实现了材料的去除;最后使用含粒径为3μm氧化铝磨料的粘弹性抛光流体对非晶硅改性层进行了抛光,粗糙度Ra由3.12nm降低到1.64nm。

关键词：粘弹性流体流变性壁面滑移 Polyflow 抛光

双筒流变仪中粘弹性流体的解析解及运动特性分析

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中国科学（A辑） 1995年第11期25卷 1159-1167页

作者：黄军旗刘慈群北京师范大学资源与环境科学系北京100875 中国科学院渗流流体力学研究所河北廊房102801

求得二阶流体和Maxwell流体在环管内不定常旋转运动问题的解析解。据此可以分析环管内旋转速度和切应力分布与变化特征。流体的物性常数、管道环隙大小等参数在解析公式中有明确反映,便于分析与讨论。本解可以用来分析类似的工程流动问... 详细信息

求得二阶流体和Maxwell流体在环管内不定常旋转运动问题的解析解。据此可以分析环管内旋转速度和切应力分布与变化特征。流体的物性常数、管道环隙大小等参数在解析公式中有明确反映,便于分析与讨论。本解可以用来分析类似的工程流动问题,尤其更具有针对性的是分析双筒流变仪中流动特征与应力状态,确定材料的粘弹性参数。通过计算,发现当外筒作简谐振动时,Maxwell流的速度和切应力变化曲线上有突变结,突变结上振幅和相位都发生突变。当外筒匀速旋转时,Maxwell流体的速度和切应力变化曲线分别呈斜方波和锯齿波形状。振动周期与材料常数H_a二次曲线相关。

关键词：解析解双筒流变仪粘弹性流体流动特性