粘彈性流體微通道流動特性及其強化混合應(yīng)用研究.pdf

1、常規(guī)尺度下流動和換熱的研究已經(jīng)取得了較大的進展，近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用領(lǐng)域的諸多研究向微型化，集成化發(fā)展，微流體領(lǐng)域的研究吸引了越來越多中外研究者的興趣。微流體流動的主要特征是特征尺度和流速都較小，因此流動雷諾數(shù) Re極低，慣性效應(yīng)可以忽略不計，此時流體的粘性起主導(dǎo)作用，，對于常規(guī)牛頓流體，微尺度的流動一般是穩(wěn)定的層流，這限制了微尺度通道內(nèi)流體的混合和傳熱效果。
　　近些年的研究發(fā)現(xiàn)對于含有少量高分子聚合物或表面活性劑等

2、具有粘彈性的流體，即使在很低的Re數(shù)下也可表現(xiàn)出由流體彈性主導(dǎo)的流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，即彈性不穩(wěn)定性。描述這種粘彈性流體的動量方程比常規(guī)牛頓流體增加一個彈性應(yīng)力項，因此即便在極低Re下（流體的慣性非線性作用可以忽略不計時），此彈性應(yīng)力項也可以單獨作用引起彈性不穩(wěn)定流動甚至湍流現(xiàn)象。所以，粘彈性流體這種可以在極低 Re下引發(fā)不穩(wěn)定流動的特性，對于強化微流體的傳熱傳質(zhì)方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。一些學(xué)者已經(jīng)對此進行了實驗研究，獲得了令人滿意的效果。<

3、br>　　本文通過直接數(shù)值模擬(DNS)手段對粘彈性流體在微尺度通道內(nèi)的流動特性及其強化混合效果進行了研究。本文通過對開源CFD程序OpenFOAM的修改得到了粘彈性流體的計算程序，并通過計算槽道添加劑湍流減阻流動，驗證了該計算程序的正確性?；谠摮绦蚰M了粘彈性流體在彎曲微尺度通道內(nèi)的流動特征，計算中采用的兩種彎曲微通道模型，一個具有一個圓弧，另一個有三個圓弧，均得到了彈性不穩(wěn)定流動現(xiàn)象，獲得了其主流方向及橫截面上的速度及流場中的渦結(jié)

4、構(gòu)及彈性應(yīng)力分布等，分析了粘彈性流體在彎曲微通道內(nèi)不穩(wěn)定流動現(xiàn)象的特征及其產(chǎn)生機理；基于上述結(jié)果，本文還研究了流動的 Wi數(shù)和粘彈性溶液中聚合物分子的粘性系數(shù)對彈性不穩(wěn)定流動的影響，給出了不同工況時的速度，彈性應(yīng)力及渦結(jié)構(gòu)的對比。
　　此外，本文獲得了槽道流動中粘彈性流體彈性不穩(wěn)定性流動對強化流體混合的效果，得到了相同 Re數(shù)時，牛頓流體和粘彈性流體的混合效果對比，結(jié)果表明粘彈性流體的彈性不穩(wěn)定性流動能夠顯著的增強流體的混合效率。