纖維懸浮湍流中纖維取向和流變特性研究.pdf

1、本文研究的纖維懸浮流是一般牛頓流體中含有圓柱狀剛性纖維小粒子的混合物的兩相流動(dòng)。纖維懸浮流是多相流中的一個(gè)重要組成部分，在復(fù)合材料、紡織工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、造紙工業(yè)等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在纖維懸浮流研究領(lǐng)域，纖維懸浮湍流以及纖維與流場(chǎng)的相互耦合作用是研究的難點(diǎn)和要點(diǎn)。將描述纖維取向分布的概率分布函數(shù)分成平均和脈動(dòng)兩個(gè)部分，推導(dǎo)出了湍流中的纖維取向平均概率分布函數(shù)。對(duì)于平均概率分布函數(shù)方程中脈動(dòng)流場(chǎng)速度與脈動(dòng)取向概率分布函數(shù)的關(guān)聯(lián)項(xiàng)，

2、建立了該項(xiàng)與平均概率分布函數(shù)梯度以及擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系。然后通過數(shù)值求解平均概率分布函數(shù)方程，得到了槽道纖維懸浮湍流場(chǎng)纖維取向的平均分布，并進(jìn)一步求解了纖維懸浮流中剪切應(yīng)力和第一法向應(yīng)力差。研究結(jié)果表明，在稀相和半稀相纖維懸浮流中，纖維的軸向取向趨于與流動(dòng)方向平行，纖維的取向在0°(即流動(dòng)方向)的概率最大，在90°(即垂直于流動(dòng)方向)的概率最小。但相對(duì)于層流情況的纖維懸浮流，纖維懸浮湍流中纖維的取向分布又顯得比較均勻；沿著槽道寬度方向，

3、纖維的取向分布幾乎保持不變。在充分發(fā)展的纖維懸浮湍流場(chǎng)中的壓降變化對(duì)于取向分布也基本沒有影響。纖維的取向分布隨著纖維長(zhǎng)徑比的增大，更趨向于流動(dòng)方向。懸浮流的剪切應(yīng)力和第一法向應(yīng)力差的值由壁面到槽道中心逐漸減小直至為0；剪切應(yīng)力幾乎不隨長(zhǎng)徑比和體積分?jǐn)?shù)變化，而第一法向應(yīng)力差的絕對(duì)值隨體積分?jǐn)?shù)的增大和增大、隨長(zhǎng)徑比的增大而減小。
　　 本文在稀相和半稀相的槽道纖維懸浮湍流場(chǎng)中，通過求解的湍流中纖維取向概率密度分布函數(shù)得到了二階和四階

4、取向張量，進(jìn)而得到了纖維附加應(yīng)力項(xiàng)，將其加入到懸浮流平均動(dòng)量輸運(yùn)方程中，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方法耦合求解。此后我們還將纖維懸浮流動(dòng)量輸運(yùn)方程中的纖維附加應(yīng)力項(xiàng)經(jīng)過相應(yīng)的變換，加入到湍動(dòng)能和湍流能量耗散率方程中，再在相同參數(shù)下的纖維與流場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算，結(jié)果較之前未對(duì)湍動(dòng)能方程和湍流能量耗散率方程進(jìn)行修正時(shí)的計(jì)算有所改進(jìn)，更接近于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在稀相和半稀相的三維直圓管纖維懸浮湍流場(chǎng)中，通過將湍流中的纖維取向概率密度分布函數(shù)直接積分，得到了纖維懸浮湍

5、流中考慮湍流脈動(dòng)作用的纖維二階取向張量，并采用正交封閉模式求解四階取向張量，從而得到纖維附加應(yīng)力，隨后將纖維附加應(yīng)力項(xiàng)加入到懸浮液動(dòng)量輸運(yùn)方程中，將纖維和圓管湍流場(chǎng)耦合求解，得到圓管纖維懸浮湍流場(chǎng)中不同雷諾數(shù)、纖維體積濃度和長(zhǎng)徑比情況下的速度分布。
　　 對(duì)槽道和直圓管中纖維懸浮湍流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，在稀相和半稀相的纖維懸浮湍流場(chǎng)中，速度剖面隨著雷諾數(shù)的增加而變得平坦，或者隨著纖維體積濃度的增加變得陡峭，這符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

6、懸浮流場(chǎng)速度剖面還隨著纖維長(zhǎng)徑比的增加變得陡峭。在槽道纖維懸浮湍流中，當(dāng)纖維體積濃度變大時(shí)，懸浮流場(chǎng)的湍動(dòng)能和湍流能量耗散率也有較明顯的增大；隨著纖維長(zhǎng)徑比的增加，湍動(dòng)能和湍流能量耗散率也隨之增大。本文計(jì)算的纖維懸浮湍流場(chǎng)隨雷諾數(shù)和體積濃度的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性一致，但從量的比較上看，還有一定的差距，數(shù)值計(jì)算得到的流場(chǎng)特性變化比實(shí)驗(yàn)結(jié)果小。從數(shù)值計(jì)算的結(jié)果看，纖維在流場(chǎng)中的作用相當(dāng)于增大了懸浮液的粘性，而且隨著纖維濃度的增加和纖維長(zhǎng)徑