T型微通道入口角度对剪切变稀流体微液滴制备影响

为了研究T型微通道入口角度对非牛顿微液滴制备影响,采用流体体积(VOF)模型对聚丙烯酰胺水溶液微液滴形成过程进行数值模拟,开展高速数码显微实验对数值模拟结果进行验证。结果表明:在相同工况条件下,非牛顿微液滴生成频率随着分散相入口角度的增大呈先增大后减小的趋势,相对长度呈现先减小后增大的趋势。在入口角度小于90°时,随着入口角度的增加,微通道内两相平均压差、液滴断裂时刻两相压差最低值随之升高,在入口角度大于90°时,上述压差则随着入口角度的增加而降低。考虑两相体积流量比与连续相毛细数并引入关于分散相入口角度的修正系数,提出聚丙烯酰胺水溶液微液滴相对长度预测公式,为剪切变稀流体微液滴制备提供参考。

非牛顿流体在叶片式静态混合器中的传热强化特性

非牛顿流体在化学、食品和材料等领域具有关键作用,但高表观黏度使其通常具有低传热特性。叶片式静态混合器作为一种高效的传热强化设备,在化工过程强化中具有鲜明的技术特色。本文针对非牛顿流体在Kenics静态混合器(KSM)和Lightnin静态混合器(LSM)内的流动和传热特性进行了比较研究。重点分析了体积流量、元件长径比及流体浓度等参数对羧甲基纤维素(CMC)幂律流体的流动及传热影响。结果表明,在相同工况下,随着CMC溶液的体积流量增大,管道内的换热系数和压降均增大。静态混合元件的插入使得换热系数和压降显著提高且Lightnin元件产生的影响更明显。元件长径比和CMC溶液浓度影响流体在管道内的流动和换热。随着长径比的减小,传热性能得到提高,但其增大的阻力系数影响占据主导地位,综合换热性能系数(PEC)降低。溶液浓度的增大使得管道换热能力逐步削弱,并对管道内压降的提升有显著影响,综合换热性能降低。总结得出,在体积流量为4.5×10^(-4)m^(3)/s,质量分数为0.374%、长径比为3.0时,KSM的PEC最大为2.114。

中高渗储层乳状液注入参数优化设计方法研究

乳状液作为一种新型的调驱体系,可以通过在多孔介质中的贾敏效应发挥流度控制作用,抑制驱油体系的窜进。在实施乳状液调驱时,不但要考虑体系的调堵能力,同时还需要综合考虑体系的注入性能。乳状液渗流不同于传统的牛顿流体渗流,其在多孔介质中的渗流压力不但受到自身黏度的影响,同时还受到吸附、滞留等作用的影响。本文基于乳状液的等效流动黏度建立了注入压力预测模型,采用Matlab编程软件定量计算了不同注入参数和注入方式下的流动阻力,该计算方法可以根据现场注采设备的基本性能,优选出复合体系的注入速度与注入量,在保证复合体系具有良好的调驱能力下还有良好的注入性,本研究为现场乳状液调驱施工提供了一种可行的定量设计方法。

钢板桩围堰结构设计及稳定性分析

钢板桩围堰适用于深水、滩涂等复杂地质,对钢板桩围堰打桩及工作过程进行了稳定性分析。采用Fluent软件对不同工况下打桩过程进行流体动力学研究并计算其动载荷。并对钢板桩稳定性进行了校核。提出流体动力学和固体力学相结合的打桩过程稳定性分析方法。采用ANSYS屈曲分析外压载荷作用下围堰整体结构的稳定性。结果表明:动载荷受幂律指数、稠度系数及静载荷的综合影响,稠度系数与流体黏度呈线性关系,幂律指数体现了流体的非牛顿性,而不同载荷作用下流体黏度也会发生变化,需结合屈曲分析结果、打桩时间等综合选择适宜打桩力。采用特征值屈曲分析和非线性屈曲分析得到的围堰临界失稳应力较为接近,非线性屈曲分析考虑了材料的非线性,包含塑性变形成分,因此临界失稳应力更大。

基于格子玻尔兹曼法的连续式搅拌反应釜流场数值模拟

为探究高含固厨余垃圾条件下连续式搅拌反应釜(continuousstirred-tankreactor,CSTR)的流场特性,课题组采用一种新颖的计算流体动力学方法格子玻尔兹曼法(latticeBoltzmannmethod,LBM)进行研究。模拟了3种桨型的流场特性,并通过对比不同转速下的扭矩实验值与模拟值,评估了该方法的可靠性,结果表明在低转速时实验值与模拟值的相对偏差均小于5%;随后考察了不同搅拌桨的速度分布、扭矩以及死区占比的变化情况。模拟结果显示:在处理含固体积分数为20%的厨余垃圾时,螺带式搅拌桨几乎带动整个反应釜内物料运动,并且其死区占比相对较小;使用螺带式搅拌桨时,随着转速的增加,反应釜中死区占比会有所下降。因此,综合考虑反应釜内的速度分布、扭矩及死区占比,用于搅拌高含固的厨余垃圾的连续式搅拌反应釜的最佳搅拌条件是转速为40r/min的螺带式搅拌桨。课题组所提出的格子玻尔兹曼法方法可用于模拟低转速条件下高含固厨余垃圾的流动特性。

200 m^(3)透明质酸生物反应器的流场模拟

随着透明质酸市场规模不断扩大,发酵生产透明质酸产量日益增多,为了对大型透明质酸生物反应器的放大设计提供理论依据,该文将透明质酸发酵液视为非牛顿流体,使用剪切应力输运模型对200 m^(3)生物反应器中不同搅拌器组合下的流场进行模拟建模。计算结果表明,使用斜叶桨式搅拌器流速最低,功耗最低,三折叶桨式搅拌器流速最高,流体流动性增强效果最好,功耗最高;弧叶圆盘涡轮搅拌器流体流速分布好于直叶圆盘涡轮搅拌器,功耗更低,更适合作为发酵罐底桨。综合流场分布,表观黏度分布以及轴功率数据考虑,选定最佳桨叶组合为三层三折叶桨式搅拌器+弧叶圆盘涡轮搅拌器进行发酵试生产,经过24 h发酵,透明质酸产率达到12.53 g/L。为工业高黏物料生物反应器放大设计提供了思路。

“牛角管”式组合桨釜内中药膏剂的流动传热特性

为解决高黏度中药膏剂在搅拌釜内受热不均、混合效率低下等问题,设计了新型“牛角管”式组合桨。基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)中的瞬态滑移网格法,对内盘管加热下搅拌釜流场进行数值模拟研究,并对其中一种工况进行了普适性的实验验证,探究搅拌釜内中药膏剂的流场情况及温度分布规律,分析了同一组合桨不同转速下以及同一转速下不同组合桨对流场情况的影响。结果表明:新型组合桨在转速300 r/min时釜内温度以及流场混合效率最高,在该转速下,将新型组合桨与传统组合桨进行对比,“涡轮叶片”式组合桨对釜内温度分布影响能力弱,不适用于工业生产,“大叶片”式组合桨机械搅拌功耗和釜内温差均大于新型组合桨,使得新型组合桨在多方面优于传统组合桨。研究结果为工业生产提供参考。

磷素对含沙水流流体变异特性影响

[目的]为探明磷素对含沙水流流体变异特性的影响。[方法]采用自制双竖管流变仪,研究了磷素对不同浓度含沙水流流体类型、流变参数及流体发生变异的临界阈值的影响。[结果](1)磷素浓度、泥沙浓度及泥沙理化性质是影响含沙水流发生流体变异的主要因素。在25℃下,过磷酸钙浓度每增加0.1 g/cm^(3),黏滞系数和宾汉极限剪切力分别增加0.48~1.47 mPa·s和3.49~6.84 N/m^(2)。(2)随着磷素和泥沙含量的增大,含磷素的含沙水流由牛顿流体变异为宾汉流体。构建并验证了磷-泥沙水流黏滞系数和宾汉极限剪切力等流变参数的计算模型。(3)给出了磷-泥沙水流流体变异的临界浓度阈值。当磷素浓度从0增加至0.45 g/cm^(3)时,含沙水流的流体变异临界浓度阈值降低49%,说明磷素的存在加速了含沙水流的流体变异。[结论]磷素的增加使得侵蚀水流更容易由牛顿流体变异为宾汉流体,从而影响侵蚀流内部的能量耗散过程,研究结果为深入认识侵蚀污染水流的输移机制提供了新的科学基础。

土体颗粒物流动物质点法模拟的弹塑性和非牛顿流体本构模型比较研究

土体颗粒物流动是一种典型的大变形破坏,具有非牛顿流体的流动特征。准确模拟土体颗粒物的流动及冲击过程,对滑坡和泥石流等地质灾害的防治具有重要意义。物质点法是一种无网格粒子类方法,已在各类大变形问题中得到了广泛应用。以往土体颗粒物流动的模拟,通常采用弹塑性本构模型,但缺乏对非牛顿本构模型的模拟分析。本文引入非牛顿本构模型的模拟分析,旨在为土体颗粒物流动模拟提供一种新的方法与思路。非牛顿本构模型的模拟分析是将非牛顿广义Cross模型引入三维物质点法,通过人工阻尼力模拟颗粒间的摩擦力,对土体颗粒物的坍塌、沿斜面滑动以及冲击障碍物等问题进行了动态模拟,研究了其运动全过程,并与弹塑性本构模型的模拟结果进行了对比验证。结果表明,基于非牛顿流体本构模型的物质点法可以较好地模拟土体颗粒物加速、减速到再次稳定的流动全过程及其对障碍物的冲击效应。

机械搅拌对非牛顿流体速度场与温度场影响的研究

热沙浴所用沙是一种非牛顿流体,高表观黏度使其传热特性较低,对其均匀加热带来不便。该文使用计算流体动力学分析了不同转速下三根螺旋搅拌轴对沙体产生的流动特征,研究了搅拌轴转速、离底高度、轴间距等结构参数对搅拌过程中速度场、温度场、有效搅拌体积分数、加热时间等的影响。研究结果表明:沙体有效搅拌体积分数随转速的增大而增大;未搅拌时沙体受热后的最大温差为10℃,而当有效搅拌体积分数最高时沙体受热最大温差为3℃;螺旋搅拌轴在初始安装位置转速为40r/min时,将Z=23cm平面加热到42~45℃所需时间为10 h,与静态加热相比,加热速率提高了120%,调整安装位置后加热时间缩短至8 h,加热速率提高了175%,缩短了加热时间,消除了热量分布不均问题。

单颗粒和双颗粒在聚丙烯酰胺溶液中沉降过程的数值模拟

针对钻井过程中停钻工况下岩屑在钻井液中的沉降问题,以球形颗粒代替岩屑,以聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,PAM)溶液代替钻井液,采用计算流体动力学-离散元法(Computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)分别模拟了单颗粒和双颗粒在PAM溶液中的沉降过程,探究颗粒粒径和PAM溶液浓度对单颗粒沉降过程的影响,考察颗粒粒径和颗粒初始间距对水平排列的双颗粒沉降过程的影响,并简要分析了颗粒的受力情况。结果表明:单颗粒在PAM溶液中的沉降速度比在水中小,随粒径的增大而增大,随PAM溶液浓度的增加而减小;水平排列的双颗粒在沉降过程中受Magnus力和Saffman力的显著影响,颗粒间距越小,粒径越大,Magnus力的作用越明显;在沉降过程中,水平排列的双颗粒垂直下落速度大于单颗粒的沉降速度,且呈波动增长。研究结果可为钻井现场工艺实施、颗粒在黏性流体中的沉降机理及相关工程应用研究提供一定的参考。

剪切增稠流体机理、影响因素及其应用

剪切增稠流体是一种黏度随着剪切速率或外加应力的增加而增加的非牛顿流体,因其独特性质在诸多领域有所应用。介绍了纳米粒子/聚合物悬浮体系和高分子溶液体系的剪切增稠机理和相关的各种影响因素,综述了剪切增稠流体的实际应用情况,对现阶段剪切增稠流体的研究和应用进行了评述。

不同类型流体圆管内流动的广义雷诺数分析

雷诺数是表征流体管流特性的重要参数。文中基于同时包含屈服应力、时间常数和幂律指数的Carreau-Extended(简称Carreau-E)非牛顿流体复杂流变模型及力平衡方程,推导出圆管内充分发展的Carreau-E流体层流管流的广义雷诺数表达式,并进一步拓展至Carreau、Herschel-Bulkley、Powerlaw、Bingham 4种常见非牛顿流体及牛顿流体。对比研究发现不同流体在圆管内流动的达西阻力系数实验值与预测值吻合良好,相对误差基本在±10%以内,该研究可为不同非牛顿或牛顿流体管流流态判定提供依据。

复杂流体力学在化工装置设计中的应用

化工装置设计中复杂流体力学的应用是一项重要的研究领域。复杂流体力学主要研究非牛顿流体的流动行为,其具备一定的复杂流变特性,将其应用在化工装置中,对改善设备的性能和操作效率至关重要,因此研究复杂流体力学对于优化装置设计具有重要意义。文章综合探究了在化工装置设计中应用复杂液体力学的措施及其作用。

一类具有重力势和阻尼项的非牛顿流体解的存在唯一性

研究一维情形下具有重力势和阻尼项的非牛顿流体模型,用正则化方程并构造逼近解的方法解决奇异性和强非线性,假设相容性条件得到具有正密度解的存在性,进一步得到耦合方程组在真空条件下局部解的存在唯一性结果.

黏弹性液滴撞击超疏水表面的反弹行为研究

水滴撞击超疏水表面后通常会发生完全反弹.大量研究表明,通过在液滴中添加少量聚合物可有效抑制水滴的撞击反弹行为.尽管该方法已被广泛应用于工农业生产中,但对黏弹性液滴撞击反弹行为的抑制机理认识仍不够全面.采用高速摄影技术,开展了聚氧化乙烯(PEO)水溶液液滴撞击不同微纳复合结构超疏水表面的实验研究.研究结果表明:添加高分子可增强流体的黏弹性及其与表面的黏附作用,因而完全反弹行为仅发生在低PEO浓度液滴的撞击实验中,且随着超疏水表面微结构间距的增大,发生完全反弹的上限和下限韦伯数阈值均减小.在低韦伯数反弹区域,撞击液滴始终处在微结构顶部,因而接触时间随韦伯数的增加而减小,这与平整超疏水表面上的现象相似;在高韦伯数反弹区域,液体会部分浸润微结构表面,因而接触时间将随韦伯数的增加而增加.此外,所有反弹液滴的恢复系数随韦伯数的增加呈线性下降趋势,且下降速率随微结构间距的增大而减缓.基于界面力学和能量转换分析,对实验中观测到的黏弹性液滴撞击反弹动力学行为给予了定性解释.

特高压换流站消防机器人长距离输送压缩空气泡沫有效性研究

为厘清压缩空气泡沫从产生装置运输至举高消防机器人过程中的可靠性,选用Fluent模拟软件对压缩空气泡沫在管道内的压降进行数值模拟研究。研究结果表明:在气液比6∶1~10∶1范围内,压缩空气泡沫在长距离运输过程中的压降随着气液比的增大而增大,硬管末端10∶1泡沫的压降可达到6∶1泡沫的1.7倍;在相同气液比混合比、供液流量条件下,硬管段中的压降与运输距离成正相关,运输至315 m处达到最大值166 kPa。接驳口前后存在较大的压降,其压降值大于硬管段输送150 m处的压降,是其1.18倍;软管段中的压降在运输过程中爬升阶段的下降尤为显著。气液比、运输距离、管径及高度变化是影响压缩空气泡沫运输过程中压降变化的主要因素,其中管径和高度的影响尤为显著。研究结果可为举高消防机器人在特高压换流站的应用提供一定的理论参考。

基于流体仿真的搅拌器结构参数对搅拌特性影响研究

常规搅拌器因其自身结构的特性,无法满足高黏性非牛顿流体的均匀搅拌。本论文拟开展一种面向非牛顿流体搅拌的组合式搅拌器设计,讨论流体搅拌特性的影响因素。以润滑脂为搅拌介质,采用Laminar模型,通过多重参考系法(Multiple reference frame,MRF)和示踪剂浓度法研究新型搅拌器内桨叶片数量、离底高度、叶片倾斜角等结构参数对搅拌过程中单位体积搅拌功率、混合时间、有效搅拌体积分数的影响。结果表明该组合式搅拌器能够应用于高黏性非牛顿流体的混合搅拌;结构参数对单位体积搅拌功率、混合时间、有效搅拌体积分数均有影响,而混合时间受影响最为显著,各结构参数对混合时间影响的主次顺序为:叶片数量>叶片倾斜角>离底高度。与初始设置相比,最优参数即叶片数量为9个、离底高度为50 mm、叶片倾斜角为45°时,对应的混合时间缩短了61.6%。研究结果能够为工业领域中类似的流体原料搅拌设计提供较好的技术参考。

新型非牛顿流体减振器对滚筒洗衣机减振降噪效果的研究

滚筒洗衣机通常采用的摩擦式减振器在低载荷高频脱水时减振效果不理想,导致了洗衣机机壳产生了剧烈振动。针对这一问题,该文提出了一种新型非牛顿流体变阻尼减振器,基于非牛顿流体剪切稀化特性和阻尼器孔内一维黏性流动方程研究了其对洗衣机运行时的振动抑制效果及物理机制。相对传统的固态摩擦式减振器,非牛顿流体具有明显的剪切稀化特性,使得在高频工况下非牛顿流体变阻尼减振器的输出阻尼力显著减小,克服了传统减振器高频表观弹性系数增大的缺陷。系统研究了不同结构参数的减振器对洗衣机低负载偏心运行下的减振作用,证明了较小的间隙高度更有利于振动能量的耗散,适当增大非牛顿流体的黏度或增加阻尼头的数量可以增强振动抑制效果,同时也可以起到良好的降噪功效。结果表明,通过合理的阻尼结构设计与非牛顿流体配比,变阻尼减振器可以对洗衣机整个洗涤过程尤其是高频甩干环节产生良好的减振效果,加速度衰减比最高可达83.49%,能量衰减了98.44%,噪音降低了10.38 dB。

非牛顿流固耦合问题的半隐式分区ALE有限元-间断有限元耦合算法研究

针对非牛顿流固耦合问题,提出了任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)框架下的半隐式分区有限元-间断有限元耦合算法。其数学模型主要包括非牛顿流体和固体结构的控制方程,以及流体-固体交界面上的边界条件。固体结构由弹性材料组成,非牛顿流体由幂律型本构模型描述。用分裂格式对非牛顿流体控制方程进行解耦,得到若干子方程;通过有限元、间断有限元方法求解对应恰当类型的子方程。用中心差分及标准有限元方法分别对固体结构弹性动力学方程进行时间和空间离散;用修正的Laplace移动网格方法处理固体结构的形变及流体区域网格的变化过程。最后用数值算法研究了带有圆弧顶端梯形结构体的非牛顿流固耦合问题,并详细分析了结构体高度、入口速度及流体特性等因素对流固耦合问题的影响及机理。