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剪切稀化流体特征参数对单气泡水动力学特性影响的研究

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剪切稀化流体特征参数对单气泡水动力学特性影响的研究

作者：胡波常州大学

学位级别：硕士

非牛顿流体中气泡运动广泛存在于自然界和工业过程中,气泡的形状、上浮轨迹以及终端速度等水动力学特性在很大程度上会影响气液相间的质量、热量和动量传递效率。剪切稀化流体作为一种最常见的非牛顿流体,由于复杂的流变特性,导致气泡... 详细信息

非牛顿流体中气泡运动广泛存在于自然界和工业过程中,气泡的形状、上浮轨迹以及终端速度等水动力学特性在很大程度上会影响气液相间的质量、热量和动量传递效率。剪切稀化流体作为一种最常见的非牛顿流体,由于复杂的流变特性,导致气泡在其中的水动力学特性还没有形成完整的理论体系。因此,深入理解剪切稀化流体中气泡的水动力学特性对进一步提高气液相间的传质传热效率以及指导泡状流设备的工业应用具有重要意义。本文首先采用数值模拟方法,以剪切稀化流体中单气泡为研究对象,建立了二维轴对称模型,研究了不同流变指数和不同表面张力水平下,特征时间对气泡水动力学特性的影响。结果发现,流变指数越小或表面张力越小,特征时间的增大对气泡变形和尾涡的影响则越大。在相同的流变指数和表面张力,特征时间越大,气泡的终端速度越大,导致气泡周围高剪切速率区和低表观黏度区的范围也越宽。其次,开展了液相黏度比对气泡水动力学特性影响的研究。在二维轴对称模型的基础上,建立了三维模型。发现当液相黏度比趋于无穷大时,气泡表现出两种非稳态运动,第一种是气泡形状基本不变(在半椭球形与碟形之间周期振荡)、上浮轨迹为直线,但纵横比周期性变化;第二种是泡形状在球帽形与半球帽形之间周期振荡,上浮轨迹向一侧偏转。并对这两种非稳态气泡变形过程进行了详细的研究,给出了相关的机理解释。接着,开展了对剪切稀化流体中两种高度非稳态气泡水动力学特性的研究,定义为第三、第四两种非稳态气泡。对于第三种气泡出现中心破碎现象,在径向膨胀后表现为一个单环形,但上浮轨迹始终为直线的非稳态气泡;主要是由于表面张力不足以抵消射流强度导致的;对于第四种气泡形状呈现出剧烈的三维特性,上浮轨迹为“之”字形非稳态气泡,主要是由于气泡上浮过程尾部出现了剧烈的涡脱落,涡脱落导致气泡上浮过程产生了升力,在升力的作用下,气泡呈现出之字形上浮轨迹。最后,实验研究了不同剪切稀化溶液内气泡上浮过程的变形、上浮轨迹以及终端速度的变化,对模拟结果给予补充和验证。

关键词：剪切稀化流体特征时间液相黏度比气泡动力学非稳态运动

剪切稀化流体中微泡群动力学CFD-PBM三维模拟研究

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剪切稀化流体中微泡群动力学CFD-PBM三维模拟研究

作者：朱萍天津理工大学

学位级别：硕士

剪切稀化流体中微泡群广泛存在于鼓泡塔、生物发酵、费托合成等化工领域,因其具有较大表面积,较高的两相传质效率,因此对其研究一直成为该领域理论研究和工程应用的研究重点。本文基于k-ε模型,重点考察非牛顿流体流变特性,利用CFD-PBM... 详细信息

剪切稀化流体中微泡群广泛存在于鼓泡塔、生物发酵、费托合成等化工领域,因其具有较大表面积,较高的两相传质效率,因此对其研究一直成为该领域理论研究和工程应用的研究重点。本文基于k-ε模型,重点考察非牛顿流体流变特性,利用CFD-PBM耦合方法对剪切稀化流体中微泡群上升动力学进行三维模拟研究。通过对剪切稀化流体中微泡群动力学三维模拟研究,考察了表观气速、液面高度、气体分布器尺寸、不同质量浓度聚丙烯酰胺(PAM)水溶液对长方体鼓泡塔的气含率、Sauter直径、湍动能和液体流速在径向分布的影响。模拟结果表明,气含率、Sauter直径、湍动能、液体流速均随表观气速的增加而增加;气含率、Sauter直径、湍动能、液体流速随着液面高度的增高而增加,但当液面高于整体柱高的一半时,液面高度对以上均没有影响;气含率、Sauter直径、湍动能、液体流速随气体分布器进口尺寸的增大而增加,其中分布器对气含率的影响主要源于对小气泡气含率的影响;气含率、Sauter直径、湍动能、液体流速均随非牛顿流体PAM水溶液质量浓度的增大而增大。

关键词：微泡群剪切稀化流体 CFD-PBM模型气泡聚并和破碎

剪切稀化流体在简化CTM模型中的流动及混合特性研究

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剪切稀化流体在简化CTM模型中的流动及混合特性研究

作者：陈鹏北京化工大学

学位级别：硕士

混合是化工生产过程中十分常见的一种单元操作,在橡胶和纺织等高分子行业中混合质量的好坏往往会影响产品的竞争力。这些高分子流体多属于剪切稀化流体,因流体的粘度随剪切率变化,其在混合过程中的行为和牛顿流体在混合过程中的行为有... 详细信息

混合是化工生产过程中十分常见的一种单元操作,在橡胶和纺织等高分子行业中混合质量的好坏往往会影响产品的竞争力。这些高分子流体多属于剪切稀化流体,因流体的粘度随剪切率变化,其在混合过程中的行为和牛顿流体在混合过程中的行为有很大的不同。高分子流体的复杂流变特性以及复杂的专用混合设备使量化研究剪切稀化流体在混合器内的流动及混合特性,探索混合机理变得十分困难。目前的相关研究多为模拟研究,缺乏与实验结果的相互验证,本文通过实验和模拟结合研究了剪切稀化流体在简化CTM模型中的流动及混合特性。本文利用激光诱导荧光技术（PLIF）和粒子图像测速技术（PIV）探究了单相剪切稀化流体在方腔拖曳流模型中的流动特性以及两相互溶剪切稀化流体在方腔拖曳流模型中的流动及混合特性。通过可视化技术得到的定量化的实验结果与CFD的模拟结果对比验证了模拟中所使用模型（species transport model）的可靠性与准确性。采用实验验证的模型研究了幂律模型参数k和n,液位比,拖曳板速度,方腔纵横比,密度差等对互溶两相剪切稀化流体混合过程的影响。利用离集强度（IOS）和无因次数群:Re,Ar/Re,Ri以及速度场等分析了不同条件下浮力（密度差）对混合过程的影响,为优化CTM的结构参数,进一步研究动态混合器的混合机理提供了理论参考。本文实验研究结果表明单相剪切稀化流体在LDC中流动特性随着n增大而变好,这和文献中的模拟结果相同。当上下两层流体无密度差时,两互溶剪切稀化流体在LDC中的混合效率也随着n增大而增强,但k对混合的影响很弱,增加k对混合效率影响不大。当上下两层流体具有密度差时,稠度系数k越大,混合效率也越高。当上下两层流体具有稠度系数差异时,高稠度系数流体置于区域Ⅰ（高剪切率区域）时的混合效率要比低稠度系数流体置于区域I时的混合效率高。当两互溶剪切稀化流体以不同的体积比混合时,两相初始分界面最好靠近涡旋中心,此时混合效率较高。上下两层流体无密度差异时,在拖曳板位移相同的情况下,拖曳板速度越大,混合效率越差,但上下两层流体密度差为10 kg/m3时,拖曳板速度对混合的影响很小。方腔的长径比越小两互溶剪切稀化流体的混合效果越好。当Re＜1时,Ar/Re可以被用作评估两剪切稀化流体混合过程中浮力（密度差）对混合的影响。Ar/Re远大于1时,浮力严重阻碍混合;Ar/Re的值在1附近时,浮力对混合影响有限,略微促进混合。当Re＞1时,Ri可以被用作评估两剪切稀化流体混合过程中浮力（密度差）对混合的影响。Ri＜1时,浮力促进混合;Ri＞1,浮力抑制混合,其值越大,抑制作用越强。

关键词：剪切稀化流体互溶两相混合 PIV PLIF 组分运输模型

流变模型对剪切稀化流体弹流油膜厚度影响的研究

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中国机械工程 2011年第20期22卷 2415-2418页

作者：刘剑平张新义贾庆轩于春战山东理工大学淄博255049 北京邮电大学北京100876

基于Carreau流变模型和Ree-Eyring流变模型,对剪切稀化流体线接触弹流润滑进行了完全数值分析,得到了同一种润滑油在不同流变模型下的弹流油膜厚度。将理论分析得到的油膜厚度、经典弹流膜厚公式计算的油膜厚度以及实测的油膜厚度进行... 详细信息

基于Carreau流变模型和Ree-Eyring流变模型,对剪切稀化流体线接触弹流润滑进行了完全数值分析,得到了同一种润滑油在不同流变模型下的弹流油膜厚度。将理论分析得到的油膜厚度、经典弹流膜厚公式计算的油膜厚度以及实测的油膜厚度进行了对比,结果表明:基于Carreau流变模型的理论分析结果更能反映剪切稀化流体的实际弹流油膜厚度;在相同工况下,基于Ree-Eyring流变模型的理论分析结果低估了剪切稀化流体的油膜厚度,经典弹流膜厚公式过高地估计了剪切稀化流体的油膜厚度。研究结果表明:幂函数形式的流变模型更能反映剪切稀化流体的流变特性。

关键词： Carreau流变模型 Ree—Eyring流变模型剪切稀化流体弹流油膜厚度

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剪切稀化流体中气泡界面污染对传热的影响

常州大学学报（自然科学版） 2022年第6期34卷 41-53页

作者：王俊庞明军常州大学机械与轨道交通学院江苏常州213164

采用停滞帽模型,对剪切稀化流体中表面受污染气泡的传热特性进行了详细研究。结果表明流变指数对气泡传热效率的影响相对较小,而雷诺数和气泡界面污染程度对气泡传热效率影响较大;随着雷诺数的增大和(或)停滞帽角度的减小,气泡周围热边... 详细信息

采用停滞帽模型,对剪切稀化流体中表面受污染气泡的传热特性进行了详细研究。结果表明流变指数对气泡传热效率的影响相对较小,而雷诺数和气泡界面污染程度对气泡传热效率影响较大;随着雷诺数的增大和(或)停滞帽角度的减小,气泡周围热边界层逐渐变薄,传热效果变好;且界面受污染气泡表面的平均努塞尔数随着停滞帽角度的减小和(或)雷诺数的增大而增大。

关键词：剪切稀化流体界面污染传热停滞帽模型泡状流

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Galileo数和Eötvös数对剪切稀化流体内气泡非稳态运动特性的影响

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轻工机械 2023年第2期41卷 10-16,21页

作者：梁立军胡波常州思特恩节能科技有限公司江苏常州213100 常州大学机械与轨道交通学院江苏常州213164

为了探究气泡在剪切稀化流体内的非稳态运动特性,笔者利用VOF方法结合连续表面张力模型研究了Galileo数和Eötvös数对气泡水动力学特性的影响。结果表明:气泡在剪切稀化流体内运动时的水动力学特性与Galileo数和Eötvös数密切相关;当流变... 详细信息

为了探究气泡在剪切稀化流体内的非稳态运动特性,笔者利用VOF方法结合连续表面张力模型研究了Galileo数和Eötvös数对气泡水动力学特性的影响。结果表明:气泡在剪切稀化流体内运动时的水动力学特性与Galileo数和Eötvös数密切相关;当流变指数和特征时间给定时,Galileo数和Eötvös数的增大(即表面张力和零剪切黏度的减弱)均会导致气泡非稳定运动的出现。因此,提高Galileo数和Eötvös数能够促进剪切稀化流体内气泡非稳态运动的发生,有利于相间的质量和热量传递。

关键词：剪切稀化流体非稳态气泡 VOF法水动力学特征 Galileo数 Eötvös数

横流作用下剪切稀化流体Couette-Poiseuille流动的稳定性问题

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横流作用下剪切稀化流体Couette-Poiseuille流动的稳定性问题

SMX型静态混合器内剪切稀化流体流动及混合性能的CFD模拟研究

第八届全国流体力学学术会议

作者：刘玉泉中国石油大学(华东)石油工程学院海洋油气工程系

在线性稳定性框架内,应用幂律流体和Carreau流体模型,研究了均匀横流下剪切稀化流体的平面Couette-Poiseuille流动及稳定性问题。结果表明,当横流与压力梯度满足一定关系时,幂律流体的基本流可保持Couette速度剖面的直线分布,此时剪切... 详细信息

在线性稳定性框架内,应用幂律流体和Carreau流体模型,研究了均匀横流下剪切稀化流体的平面Couette-Poiseuille流动及稳定性问题。结果表明,当横流与压力梯度满足一定关系时,幂律流体的基本流可保持Couette速度剖面的直线分布,此时剪切稀化效应不改变基本流,仅作为稳定性方程中的附加黏性项产生影响。流动由稳定变为不稳定的临界横流雷诺数处为长波失稳机制,其在流向雷诺数增大时趋于一定值,且幂律流体和牛顿流体的这一定值之间满足线性关系,即随着剪切稀化的增强而减小,体现了剪切稀化的失稳作用。而当横流与压力梯度之间的限制得到解除时,临界横流雷诺数随着剪切稀化效应的增强而呈现先减小后增大的态势,体现了剪切稀化对稳定性的双重作用,即改变基本流的稳定作用和附加黏性项的失稳作用。

关键词：剪切稀化流体 Couette-Poiseuille流动横流线性稳定性

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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SMX型静态混合器内剪切稀化流体流动及混合性能的CFD模拟研究

作者：王明凯天津大学

学位级别：硕士

静态混合器是一种应用广泛的工业流体混合设备,由于无机械转动部件,安装和使用方便。其中SMX型静态混合器用于非牛顿流体混合时具有混合效果好、压降低等优点。目前关于剪切稀化流体在SMX型静态混合器内的流动特性以及混合规律的研究较... 详细信息

静态混合器是一种应用广泛的工业流体混合设备,由于无机械转动部件,安装和使用方便。其中SMX型静态混合器用于非牛顿流体混合时具有混合效果好、压降低等优点。目前关于剪切稀化流体在SMX型静态混合器内的流动特性以及混合规律的研究较少。同时,关于SMX型静态混合器结构参数对混合效果的影响机制仍不清楚。本文采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对SMX型静态混合器内剪切稀化流体流动及混合过程进行模拟研究。结合CFD模拟结果,分析SMX型静态混合器内流体流动及混合机理,并研究结构参数对混合效果的影响机制,指导SMX型静态混合器设计应用。系统研究了 SMX型静态混合器内剪切稀化流体的流动规律。相比于牛顿型流体,剪切稀化流体在SMX型静态混合器内的粘度及速度场分布呈现不均一的特点:在层流条件下,速度梯度较小,混合单元内流体的平均粘度较大;在湍流条件下,速度梯度较大,混合单元内流体的平均粘度较小。混合元件内最大速度可达入口速度的2.5倍。随着流速的提高,尽管流体粘度有所降低,但混合器总体压降仍明显增大,因此对于剪切稀化流体的混合应选择层流状态下操作。系统研究了剪切稀化流体在SMX型静态混合器内的混合规律。增大流速有助于提升流体的混合效果,但流速的增加会导致压降明显增大。综合考虑压降和混合效果,对于黄原胶-水体系以及醪液-浓硫酸体系,给出了适合的入口流速。计算结果表明,流体流经混合元件时,在其内部结构的导向及切割作用下,实现流体的径向流动及汇合。由于板片存在一定的角度,加强了流体的径向混合,进而促进其在径向的均匀分布。系统研究了 SMX型静态混合器结构参数对剪切稀化流体混合效果的影响。随着板片数的增加,加强了流体的分割作用,提高了混合元件内部的速度梯度,有效降低整体粘度,促进流体流动及混合,总体压降不断增大。随着板片宽度的增加,使混合器内剪切稀化流体的速度梯度增大,粘度降低,进而改善混合效果,总体压降变化趋势为先减小后增大。综合考虑压降及混合效果,SMX型静态混合器用于剪切稀化流体混合时的板片数推荐为8～10块,板片宽度推荐值为0.0275～0.03 m。

关键词： SMX型静态混合器计算流体力学剪切稀化流体流动规律混合特性结构参数

端面形貌和流体剪切稀化对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响

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润滑与密封 2021年第2期46卷 31-36页

作者：殷存志杨青梅宝刘柯炜孙鑫晖郝木明任宝杰祝清单中油国际管道公司北京100029 中国石油大学(华东)新能源学院山东青岛266580 中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 东营海森密封技术有限责任公司山东东营257067

为研究密封端面形貌变化和润滑流体的剪切稀化特性对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响基于幂律模型,建立考虑润滑流体的剪切稀化特性、密封端面径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封稳态特性数学模型,利用有限差分法求解稳态雷诺方程,分析... 详细信息

为研究密封端面形貌变化和润滑流体的剪切稀化特性对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响基于幂律模型,建立考虑润滑流体的剪切稀化特性、密封端面径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封稳态特性数学模型,利用有限差分法求解稳态雷诺方程,分析径向锥度和周向波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响规律。结果表明:当锥度增大时,液膜密封开启力减小、泄漏量增大、摩擦扭矩减小,润滑流体的剪切稀化特性可以明显地减小密封端面开启力和泄漏量,稍微增大摩擦扭矩;当波数增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅减小、摩擦扭矩增大;当波幅增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅增大、摩擦扭矩明显减小;波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响程度要稍弱于对牛顿流体的影响,但整体趋势保持一致。

关键词：螺旋槽液膜密封稳态特性剪切稀化流体锥度波度