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黏弹性流体中单气泡上升速度的研究

高校化学工程学报 2019年第5期33卷 1064-1069页

作者：白丽娜曹佰旭胡钊晨李少白沈阳航空航天大学能源与环境学院

为了揭示黏弹性流体中单气泡的运动规律,采用高速摄像技术对聚丙烯酰胺(PAA)溶液中单气泡的运动行为进行了研究。通过Matlab 10.0利用自编程序得到了气泡的上升速度,考察了溶液流变性质和表面活性剂对气泡上升速度的影响。结果表明:气... 详细信息

为了揭示黏弹性流体中单气泡的运动规律,采用高速摄像技术对聚丙烯酰胺(PAA)溶液中单气泡的运动行为进行了研究。通过Matlab 10.0利用自编程序得到了气泡的上升速度,考察了溶液流变性质和表面活性剂对气泡上升速度的影响。结果表明:气泡的上升速度随体积的增大而增大,并发生速度跃迁现象,发生跃迁时的临界体积随溶液黏弹性的增大而减小,随表面活性剂浓度的增大而增大。气泡形状的变化与速度跃迁相关,当气泡体积低于临界体积时,气泡的形状为球形或椭球型,当气泡体积高于临界体积时,气泡出现了尖端尾部,且尖端尾部两侧界面向气泡内部凹进。提出了预测气泡速度跃迁的临界条件,预测值与实验值重现性较好。

关键词：单气泡速度跃迁黏弹性流体气泡形状经验关联式

基于虚拟区域法的黏弹性流体中微生物游动的数值模拟和应用

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力学学报 2023年第1期55卷 84-94页

作者：彭方远潘定一陈杏藩林昭武浙江大学工程力学系杭州310027 浙江大学光电科学与工程学院杭州310027

微生物是自然生态系统的重要组成部分,掌握微生物在复杂流体中的运动特性可以为微型器件的设计制造提供理论指导.壁面效应是微生物游动研究中的重要问题之一,已有研究表明微生物在壁面附近存在复杂的行为特征.然而已有研究大多集中于微... 详细信息

微生物是自然生态系统的重要组成部分,掌握微生物在复杂流体中的运动特性可以为微型器件的设计制造提供理论指导.壁面效应是微生物游动研究中的重要问题之一,已有研究表明微生物在壁面附近存在复杂的行为特征.然而已有研究大多集中于微生物在牛顿流体中的游动模拟,仅有少数涉及黏弹性流体等非牛顿流体.本文采用直接力虚拟区域法与乔列斯基分解相结合的数值方法,引入Squirmer微生物游动模型,研究了微生物在黏弹性流体中的游动问题.首先给出求解黏弹性流体本构方程的数值格式;并将该方法应用于研究微生物游动中的壁面效应.研究结果表明,游动方向是影响微生物颗粒壁面效应的重要因素.流体弹性应力会对微生物产生一个反向转矩,影响微生物的游动方向,从而阻碍微生物逃离壁面.微生物颗粒在黏弹性流体中与壁面作用时间较长,几乎达到牛顿流体的两倍以上.

关键词：虚拟区域法黏弹性流体微生物乔列斯基分解

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黏弹性流体脉动流微通道内强化传热特性研究

黏弹性流体脉动流微通道内强化传热特性研究

作者：詹增坤中山大学

学位级别：硕士

近年来,微通道热沉作为新型四代堆的电源转换方案之一而备受关注,为满足新型反应堆中高热流密度下的发电需求,微通道热沉的传热效率仍亟需进一步的提升。本文的核心思想是通过引入流动非线性实现在矩形微通道内的流动失稳,诱发流动与热... 详细信息

近年来,微通道热沉作为新型四代堆的电源转换方案之一而备受关注,为满足新型反应堆中高热流密度下的发电需求,微通道热沉的传热效率仍亟需进一步的提升。本文的核心思想是通过引入流动非线性实现在矩形微通道内的流动失稳,诱发流动与热边界层的破坏与再发展,从而实现传热强化。非线性引入的方式包括采用具有非线性流变学特征的黏弹性流体耦合外部脉动流动形式,形成黏弹性流体脉动流。通过耦合具有特征时间尺度（松弛时间与脉动周期）的两种流动技术实现二者的谐振效应,产生更大幅度的扰动,进而显著提升传热效果。基于上述思想,本文开展了数值模拟和实验研究,确定了各类因素对其强化传热效果的影响,并揭示其强化传热机理,具体如下:本文对黏弹性流体脉动流谐振效应的研究结果,既是对已存流动理论的验证,亦是对该流动在传热领域应用的开拓。实验研究中,采用液面高度周期性变化的溢流槽作为流量供给实现脉动压力入口,通过多物理场测量方式获取其流动与传热性能随研究参数变化关系。数值模拟研究采用开源软件Open FOAM进行黏弹性流体脉动流在微通道的流动传热计算,进一步对实验中发现的规律进行扩充完善,建立最大强化传热时的工况参数规律经验关系式,并补充实验研究难以捕捉的流动与温度分布细节。辅以揭示黏弹性流体脉动流微通道内强化传热的机理。在矩形微通道内黏弹性流体脉动流的流动传热特性研究中,实验与模拟均得到了明显的强化传热效果,并且发现存在最优频率,在该频率下具有最佳的强化传热效果。黏弹性流体脉动流强化换热程度随着流动弹性增大而提升,随流动雷诺数（?）增大而下降,且最佳频率随（?）和魏森贝格数（?）增大而减小。最佳频率的存在从侧面说明了黏弹性流体脉动流发生了谐振效应。在实验研究中还发现,黏弹性流体脉动流对微通道内的流动具有显著的增输作用,并且随各参数变化与强化传热效果表现一致。此外,在数值模拟与实验研究中均发现在周期内入口脉动压力为零时,出现了流动反向的“回流”现象。这是因为在脉动压力输入为零时,黏弹性流体工质分子松弛过程带动周围工质分子形成的回弹现象。结果表明,回流能够促进流体与加热壁面的二次热交换,从而强化了传热效果。此外谐振效应造成热边界层的破坏,使其一直处于传热未充分发展的状态,减小了流体与热源之间的热阻,促进了传热性能的提升。最后本文将该黏弹性流体脉动流强化传热技术拓展到平行多通道的应用中,并得到了相似的强化传热规律,进而证明了利用黏弹性流体脉动流实现强化传热的可行性,为利用该技术实现新型换热器提供了参考。综上,本文开展了黏弹性流体脉动流在微通道内的流动与传热特性研究,得到并总结了不同工况该参数对其强化传热传质的影响规律,探讨了相应的作用机理,并提出黏弹性流体分子的松弛时间与脉动作用周期间的相互平衡是最根本的控制因素。本文探索的微尺度强化传热技术,为今后黏弹性流体脉动流在传热领域的应用奠定了基础并具有指导性意义。

关键词：黏弹性流体脉动流微通道热沉强化传热

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黏弹性流体充模过程中凝固现象的数值模拟

物理学报 2014年第8期63卷 211-220页

作者：王芳李俊林杨斌鑫太原科技大学应用科学学院太原030024

建立了黏弹性流体在充模过程中带有相变的气一液两相模型,该模型分别由气、液两相的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程描述,并通过引入Heaviside函数将气一液两相的方程组统一为一个方程组;建立了一个对型腔内熔体和气体都适用... 详细信息

建立了黏弹性流体在充模过程中带有相变的气一液两相模型,该模型分别由气、液两相的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程描述,并通过引入Heaviside函数将气一液两相的方程组统一为一个方程组;建立了一个对型腔内熔体和气体都适用的修正的焓方法来描述充模过程中的相变,采用基于同位网格的有限体积方法对模型进行求解,水平集方法捕捉充模过程中的界面演化,模拟出了黏弹性流体在充模过程中的凝固现象,得出了充模过程中型腔内的温度、压力、第一法向应力差等随时间的变化;并讨论了型腔壁面温度、熔体温度、注射速度对充模过程中凝固现象的影响,研究结果表明:型腔壁面温度越高,凝固层越薄;熔体温度越高,凝固层越薄;注射速度越高,凝固层越薄,故提高型腔壁面温度、熔体温度、注射速度可以减少或消除型腔壁面附近的凝固层。

关键词：黏弹性流体充模过程相变焓方法

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低雷诺数微尺度蜿蜒通道黏弹性流体快速混合

工程热物理学报 2022年第3期43卷 776-779页

作者：杨海娥姚贵策文东升北京航空航天大学航空科学与工程学院人机环境工程系北京100191

充分混合是微流控中诸多实验的前提。然而目前在微尺度下实现短距离充分混合仍困难且不经济。具有显著黏弹性的低浓度聚合物溶液被认为是低雷诺数下增强混合的有效方式。该项研究工作中,我们通过采用正交注入的方法,提出了一种十分有效... 详细信息

充分混合是微流控中诸多实验的前提。然而目前在微尺度下实现短距离充分混合仍困难且不经济。具有显著黏弹性的低浓度聚合物溶液被认为是低雷诺数下增强混合的有效方式。该项研究工作中,我们通过采用正交注入的方法,提出了一种十分有效的微混合器。通过可视化和统计学分析,半定量表征了混合性能,分析了其中与弹性不稳定相关的流动学解释,实现了微尺度短距有效混合增强。

关键词：微混合器黏弹性流体弹性不稳定性蜿蜒通道混合增强

黏弹性Jeffery-Hamel流的磁-微结构分析

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Journal of Central South University 2023年第6期30卷 1763-1775页

作者： Ehtsham AZHAR Abid KAMRAN Department of Mathematics and Statistics PMAS Arid Agriculture UniversityRawalpindi 44000Pakistan Department of Mathematics Capital University of Science and TechnologyIslamabad 46000Pakistan

本文通过拉伸/收缩具有独立移动能力大分子的非平行通道,对磁流体的动力学进行数值分析。通过麦克斯韦方法建立了外磁场对黏弹性流体流动影响的数学模型,在经典流体动力动量方程中表现为体力。为了完整描述微观结构现象,利用角动量方程... 详细信息

本文通过拉伸/收缩具有独立移动能力大分子的非平行通道,对磁流体的动力学进行数值分析。通过麦克斯韦方法建立了外磁场对黏弹性流体流动影响的数学模型,在经典流体动力动量方程中表现为体力。为了完整描述微观结构现象,利用角动量方程对数学模型进行强化。用凯勒盒有限差分法对所得到的非线性问题进行数值处理。求解如Hartmann数(1≤Ha≤5)、拉伸参数(-4≤C≤4)、旋转参数(3≤K≤9)、Weissenberg数(0.3≤Wi≤0.9)、Reynolds数(50≤Re≤150)等物理量的微分方程形式,并以图表形式表示出来。在所有讨论的情况中,只有发散通道中的角速度随着Hartmann数的增加而增加,这表明微结构旋转是由强磁场激发的。

关键词： Jeffery-Hamel流黏弹性流体微观结构数值解非线性偏微分方程

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黏弹性流体基纳米流体流变学特性

化工学报 2014年第S1期65卷 199-205页

作者：阳倦成徐鸿鹏李凤臣哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

黏弹性流体基纳米流体(viscoelastic fluid based nanofluid,VFBN)是一种具有湍流减阻和对流换热相对强化特性的新型换热工质,其湍流减阻机理与流变学特性关系密切。通过对以2.5×10-3、5×10-3、1×10-2三种质量分数的十六烷基三甲基... 详细信息

黏弹性流体基纳米流体(viscoelastic fluid based nanofluid,VFBN)是一种具有湍流减阻和对流换热相对强化特性的新型换热工质,其湍流减阻机理与流变学特性关系密切。通过对以2.5×10-3、5×10-3、1×10-2三种质量分数的十六烷基三甲基氯化铵/水杨酸钠水溶液为基液,粒子体积分数为0.1%、0.25%、0.5%、1.0%的铜纳米流体的剪切黏度、零剪切黏度以及松弛时间的测量,实验结果表明VFBN有明显的剪切稀变特性,同时纳米粒子的添加增大了基液的零剪切黏度,并导致基液黏弹性增强。以Giesekus本构模型为理论基础,利用实验参数得到了描述VFBN剪切黏度的实验关联式。

关键词：纳米流体黏弹性流体界面流变学剪切黏度实验关联式纳米粒子黏度

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剪切稀化流变特性对微通道中颗粒迁移的影响

应用数学和力学 2024年第5期45卷 637-650页

作者：沈洋王企鲲刘唐京上海理工大学能源与动力工程学院上海200093

该文采用“相对运动模型”对剪切稀化流体中的颗粒聚集现象进行了数值模拟,为了解剪切稀化效应在微流体中对颗粒力学特性的影响,对黏弹性流体和非黏弹性流体进行了剪切稀化的匹配.研究结果表明,剪切稀化特性可以明显改变颗粒的力学特性... 详细信息

该文采用“相对运动模型”对剪切稀化流体中的颗粒聚集现象进行了数值模拟,为了解剪切稀化效应在微流体中对颗粒力学特性的影响,对黏弹性流体和非黏弹性流体进行了剪切稀化的匹配.研究结果表明,剪切稀化特性可以明显改变颗粒的力学特性.在非黏弹性流体中,剪切稀化能导致颗粒的聚集位置向壁面移动,并且对颗粒的聚集速度具有激励作用;在黏弹性流体中,剪切稀化效应的发生会伴随着流体弹性的降低,从而导致颗粒由中心聚集转而向壁面聚集.另外,该文还观察到低剪切稀化且高弹性情况下颗粒惯性升力指向通道中心的现象.

关键词：黏弹性流体颗粒聚集剪切稀化数值模拟

表面活性剂溶液中弹性胶束断裂作用下圆柱绕流特征研究

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应用力学学报 2023年第5期40卷 1194-1203页

作者：苏晓辉徐志锋金辉王治国刘佳伦吴松西安石油大学新能源学院西安710065 西安交通大学动力工程及多相流国家重点实验室西安710049 西安石油大学机械工程学院西安710065

表面活性剂分子溶于水自组装形成的蠕虫状胶束溶液由于其高表面活性和高黏弹性,具有独特的力学响应特性,呈现出与牛顿流体迥异的流动特征。采用考虑溶液中胶束可逆断裂和重构效应的双组分VCM本构方程,研究了溶液流变学特性,发现溶液拉... 详细信息

表面活性剂分子溶于水自组装形成的蠕虫状胶束溶液由于其高表面活性和高黏弹性,具有独特的力学响应特性,呈现出与牛顿流体迥异的流动特征。采用考虑溶液中胶束可逆断裂和重构效应的双组分VCM本构方程,研究了溶液流变学特性,发现溶液拉伸应力随应变率呈现出拉伸硬化-稀化-硬化的强非线性特征。研究了蠕虫状胶束溶液绕圆柱流动的特性,在低雷诺数(Re~0.01)下,当维森贝格数Wi>1时,流场出现较强的不稳定性,绕流尾迹区流场呈现随时间波动的特征,通过功率谱分析发现流场波动具有拟周期特征,当胶束断裂引起流体拉伸应力对弹性响应的非线性增强时,流场波动的不规则性增强。圆柱后缘附近出现一对周期性变化的对称涡,表明流体弹性会促进流动分离的发生,流体拉伸应力对弹性变化的强非线性响应是造成低雷诺数绕流流动不稳定性的根本原因,揭示了蠕虫状胶束溶液在低雷诺数高黏弹性时绕流流动不稳定性的产生机理。

关键词：表面活性剂蠕虫状胶束溶液 VCM模型流动不稳定性黏弹性流体