非牛頓流體在旋轉(zhuǎn)曲線管道內(nèi)的對流換熱研究.pdf

1、非牛頓流體是廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域的性質(zhì)不同于傳統(tǒng)牛頓流體的流體,而直線管道和旋轉(zhuǎn)曲線管道系統(tǒng)廣泛存在于實(shí)際化工工程的各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置中的流體輸運(yùn)管路系統(tǒng)、控制管路系統(tǒng)和管路冷卻系統(tǒng)中。非牛頓流體與管路系統(tǒng)相結(jié)合,那么管路系統(tǒng)中的流動和換熱特性將會產(chǎn)生什么樣的變化,與牛頓流體相比有什么新的特性,是對管路系統(tǒng)地性能以及旋轉(zhuǎn)裝置的安全運(yùn)行有著重要影響的問題,又是管道中研究甚少的且急需解決的課題。同時,這個課題還可以應(yīng)用于生物流體力學(xué)：可以作為血

2、管血液流動問題的一個基礎(chǔ)性研究。因此本課題具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。 本文主要研究兩種Oldroyd型本構(gòu)方程的流體(Oldroyd-B方程和Oldroyd 3常數(shù)方程)分別在旋轉(zhuǎn)平面彎管內(nèi)的對流換熱和在直管道內(nèi)的流動。其中對于旋轉(zhuǎn)平面彎管內(nèi)Oldroyd-B流體的對流換熱問題采用攝動方法和Galerkin方法,而對于直管道內(nèi)Oldroyd 3常數(shù)流體的流動問題采用數(shù)值方法研究。在總結(jié)和分析了半個世紀(jì)以來有關(guān)非牛頓流體

3、管道流動和換熱特性研究成果的基礎(chǔ)上,本文的主要創(chuàng)新之處是：首次對旋轉(zhuǎn)彎曲管道內(nèi)Oldroyd-B流體充分發(fā)展流動的流動結(jié)構(gòu)和對流換熱特性以及直管道中Oldroyd 3常數(shù)流體充分發(fā)展的流動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和數(shù)值模擬。詳細(xì)討論了各種無量綱參數(shù)對于軸向速度分布、二次流動、溫度分布、軸法向應(yīng)力,摩擦系數(shù)和Nusselt數(shù)的影響,獲得了若干重要結(jié)果。 研究表明：在靜止曲線管道內(nèi)流動中,充分發(fā)展的Oldroyd-B流體和牛頓流體有

4、著明顯的區(qū)別,主要表現(xiàn)在彈性力的作用。彈性力的加強(qiáng)會使得軸向速度分布、溫度分布和二次流結(jié)構(gòu)向外壁側(cè)移動,軸法向應(yīng)力變大,也會對摩擦系數(shù)和Nusselt產(chǎn)生影響。當(dāng)曲線管道旋轉(zhuǎn)時,旋轉(zhuǎn)對于充分發(fā)展的Oldroyd-B流體也有著很大影響,正旋轉(zhuǎn)會使得管道摩擦系數(shù)變大,管道換熱效果增強(qiáng)；而負(fù)旋轉(zhuǎn)會使得二次流結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜,當(dāng)負(fù)旋轉(zhuǎn)到達(dá)一定程度時,二次流結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,摩擦系數(shù)最小,換熱效果最差。Oldroyd 3常數(shù)流體在直管內(nèi)的充分發(fā)展流動由于第