槽道各向异性黏弹性流体中微生物游动特性的数值研究

近年来,微生物游动特性的研究逐渐成为流体力学的热点问题之一.深入了解微生物在复杂流体中的游动特性可以为微型器件的设计制造提供帮助.已有研究结果表明,管道中微生物存在复杂的行为特征,其内在的动力学机理尚未清楚.本文采用浸没边界法,引入泰勒波动板模型,探讨槽道中微生物在各向异性黏弹性流体中的游动特性;重点分析槽道壁面约束对微生物行为特征的影响规律.数值模拟结果表明,与自由游动相比,槽道中微生物游动呈现加速现象,而且槽道壁面附近加速效果更显著.另外,槽道中微生物游动效率比自由游动时更高.进一步受力分析,发现流体压力对微生物游动起推动作用,黏性力起阻碍作用.与这两者相比,聚合物产生的弹性力则小很多,几乎可以忽略.槽道中微生物受到更大的流体压力,认为加速现象与此相关.

三维小球随机堆积多孔介质内黏弹性流体流动数值模拟分析

复杂流体在多孔介质内的流动广泛存在于自然界和工业生产中,研究复杂流体的非牛顿特性对多孔介质内流动的影响具有重要的意义。基于黏弹性流体本构方程,对三维颗粒随机堆积的多孔介质模型进行研究,获得了流体流变性质对多孔介质内流动特性的影响规律。研究发现,流体的流变性质对多孔介质流场内流动的压力降和渗透率等有着显著的影响。对于黏弹性流体来说,随着弛豫时间的增大,即流体的弹性增强,导致流场内压力降减小,渗透率增大;当表征剪切稀化效应的迁移因子增大时流场内部压力降减小,渗透率增大。

基于格子Boltzmann方法的粘弹性流体圆柱绕流分析

将光滑界面法引入到格子Boltzmann方法中分析粘弹性流体绕流问题,分别采用单松弛模型和对流扩散模型求解运动方程和Oldroyd-B本构方程,针对圆形和椭圆内部边界条件,给出连续界面插值函数,在此基础上,运用光滑界面法将内部边界转换为作用力项施加到演化方程中。首先分析圆柱绕流问题,给出不同材料参数情况下的流场分布和阻力系数计算结果,比较发现与宏观数值模拟结果相吻合。将模型拓展到绕椭圆流动中,分析椭圆形状和材料参数对粘弹性流体绕柱流的影响,发现随着椭圆长轴与短轴比值的增加和维森伯格数的增加,阻力系数逐渐下降,并且长短轴比对迭代收敛有较大影响。

低Weissenberg数黏弹性流体中单气泡上浮运动特性研究

使用VOF法数值研究了气泡在黏弹性流体中的上浮运动,黏弹性模型选用Oldroyd-B模型.在低Weissenberg数(Wi)下,研究了黏性力、松弛时间、表面张力和黏度比对气泡上浮运动的影响.结果表明,当黏性力和弹性力较大(如Ga=2,Wi≥0.5和β=0.2)时,气泡尾部会出现“尾缘尖”现象,“尾缘尖”现象随着弹性的增强和表面张力的减小变得明显;当弹性较弱(如Wi=0.1)时,“尾缘尖”现象消失,气泡呈为帽形;当表面张力较大(如Eo=1)时,气泡呈现为纵向拉长的椭圆形,尾部特征不明显;在黏弹性流体中,表面张力对气泡的影响与在黏性流体中的相似;气泡在上浮过程中,随形状的变化,表现出“持续加速到稳定”和“加速-减速-再加速到稳定”两种上浮形式,在黏弹性流体中,气泡的上浮速度高于在纯黏性流体中的上浮速度;气泡周围的弹性应力与流体的黏度和松弛时间有关,随着黏度的减小和松弛时间的增大,弹性应力作用范围变宽.

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

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.

具有间断解的PTT型黏弹性流体热对流数值模拟

从间断解充分发展的黏弹性流体Rayleigh-Bénard(RB)热对流具备不同流态的时间信息和发展过程的流态变换,研究该问题对阐明Phan-Thien-Tanner(PTT)型黏弹性流体RB热对流的流动机理具有重要意义。本文首次采用二阶迎风型总变差不增差分格式对PTT型黏弹性流体的RB热对流进行了数值模拟,并基于与解析解的对比论证了该数值方法在空间离散上的收敛性与二阶精度。数值结果表明,本文的数值方法可模拟自间断初始场演化的PTT型黏弹性流体RB热对流,此外,本文还对该流动发展到稳态周期解的瞬态流动现象作了基本阐释,流动现象与从先验速度场发展的流动现象一致。

弹性流体动力润滑中的粘度楔理论

经典的弹性流体动力润滑 (弹流 )理论体系已经较完善的建立 .然而在实验和理论研究中 ,一些同经典的弹流理论相悖的现象被证实 ,使非经典弹流粘度楔理论的建立成为必然 .介绍了粘度楔理论建立的学术背景 ,综述了国内外相关机构的研究成果 。

特型螺带桨叶在高粘弹性和非弹性流体中的搅拌功率

本文研究了层流区域有较大叶片截面积的特型双螺带──锚桨叶在高粘弹性和非弹性流体中的搅拌功率，测定了Ｋ_ｐ和Ｋ_ｓ，采用广义二阶流体本构方程导出搅拌功率计算式参数ｆ_ｓ和Ｆ_（１ａｃ）由实验数据确定。该式适用于牛顿型流体、假塑性和粘弹性流体的功率消耗计算。

粘弹性流体的一个爆破准则与存在性结果

我们给出描述粘弹性流体的Oldroyd方程的一个爆破准则,即∫T0*‖u‖L∞dt=+∞.在较弱的条件下,即当初值φ0∈W2,q(Ω),3<q≤6,u0∈H01∩H2时,同样得到了强解的局部存在惟一性,从而改进了林芳华、柳春和张平的一个结果.

盐膏层蠕变粘弹性流体模型及有限元分析

将盐膏层作为线性Maxwell流体 ,建立了平面应变问题的粘弹性力学模型 ,实测了江汉油田王 80 3井不同时段内的井径变化。借助模型辨识理论及运用有限元方法 ,研究了盐膏层蠕变与时间的关系、套管在均匀及非均匀载荷作用下的应力分布、套管制造缺陷 (不圆、不匀度 )对套管应力的影响以及水泥环对套管的保护作用等 ,所得结果为工程实际应用提供了定量的参考依据 ,具有很好的推广应用价值。

粘弹性流体法向应力对抽油杆偏磨的影响机理

大庆油田实施聚合物驱油以后 ,出现了抽油杆受力状况恶化、抽油杆柱严重偏磨的现象 ,为此开展了粘弹性流体水动力学理论和试验研究 ,得出了粘弹性流体在抽油机井筒内的流动规律及对抽油杆柱法向应力的影响规律 ,定量测出了粘弹性流体对抽油杆柱的法向应力值和抽油杆柱产生的偏心率。提出了粘弹性流体的法向力是造成抽油机井杆管偏磨的主要原因 ,建立了法向力作用下抽油杆纵向横向弯曲模型 ,并提出了抽油杆加扶正器和底部加重的综合防止偏磨措施 。

高速滚动轴承弹性流体动力润滑分析

直接采用弹性流体动力润滑（ＥＨＬ）分析方法计算了高速滚动轴承中滚子与内、外套圈接触区的油膜厚度、油膜动压力和润滑油牵引力；分析了载荷、转速及滚子数等参数对轴承打滑损伤的影响。理论分析结果与所作实验结果在较宽的工况范围内吻合较好。

船舶柴油机主轴承热弹性流体动力混合润滑分析

基于质量守恒边界条件的广义Reynolds方程和Greenwood/Tripp接触理论,计入温度、压力对润滑油黏度、密度和轴瓦变形的影响,对船用柴油机主轴承的混合润滑进行了数值分析.其中Reynolds方程用有限体积法求解,油膜能量方程、轴瓦热传导方程和轴颈温度方程等用有限差分法求解,轴瓦变形用有限元法求解.结果表明:周期内发生混合润滑的时刻较为普遍,微凸峰接触影响不可忽略;端泄能量散失占到总能量散失的80%,油膜出口温度作为监控轴承润滑的重要参数比较适宜;引入填充比,结合轴颈中心轨迹和油膜压力梯度变化,能够更加准确地预测轴承的穴蚀发生;8个轴承基本满足设计要求,但4#轴承、7#轴承需要进一步优化.

粘弹性流体在盲端孔隙中的流场

以带有盲孔的流道模拟油藏中的盲端孔隙 ,应用数值方法研究了上随体Maxwell流体在盲端孔隙中的流动特性。着重分析了流体流变性和盲端倾角对流场的影响规律。计算结果表明 ,驱替液的粘弹性是影响盲端波及效率的重要因素 ;在较大的盲端倾角范围内 ,低雷诺数(Re)流动条件下 ,流体的威森博格数 (We )越大 ,孔隙盲端中的流动区域越大 ,滞留区越小。

黏弹性流体在油藏孔隙中的流动特性

针对油藏孔隙中黏弹性流体的流动特性,选取了黏弹性流体中的上随体Maxwell本构方程描述以第一法向应力差为主要特征的聚合物溶液的流变性,同时使用计算流体有限元分析软件Polyflow对收缩流道内的黏弹性聚合物溶液流动过程进行等温数值模拟分析。从理论上研究了不同雷诺数(Re)和韦森博格数(We)条件下聚合物溶液黏弹性对孔隙内速度场和应力场的影响规律。确定当Re数和We数较大时,流体在收缩流道中流动时,流体的流速和应力随韦森博格数的增大而增大;第一法向应力随We的增大而增大,且在出口窄流道内最大,而在入口宽流道处最小;越靠近壁面,We数对第一法向应力的影响越大;黏弹性对流速的影响在靠近中心线处较大,靠近壁面处影响较小。

粘弹性流体驱替孔喉残余油的机理分析

针对孔喉处有一滴残余油的并联孔道简化模型,从毛管阻力方程和表征驱替动力的线性粘弹性流体二维稳态流动Maxwell本构方程出发,得到了无量纲化诸特征参数,导出了化学驱条件下的微观毛管数Nc、临界驱替孔喉直径Dcr和临界驱替界面张力σcr的表达式,定义了孔喉残余油微观驱替效率St。在化学驱实际范围内取参数值,采用有限差分法求解,得到了孔喉道中的压力场:在其他条件相同时,沿程无量纲压力ρ 在喉道附近大幅度下降,无量纲局部压力损失Δp 随威森博格数We增大而增大,受雷诺数Re和喉道、孔隙直径比β的影响很小;在其他条件相同时,Dcr值随驱替流体松弛时间λ值增大、表观粘度μ增大、油水界面张力σ减小而减小;σcr值随λ值的增大显著增大,随孔喉比β′的增大而降低;启动孔喉残余油(使St>0)所需的界面张力σ值随λ值的增大而增大。利用文献报道的2个油藏的数据讨论了计算结果。图9参10。

扩张流道内修正上随体MaxweⅡ粘弹性流体的流动

提出了描述粘弹性流体流变特性的修正上随体MaxweⅡ本构方程,利用数值计算方法模拟了该流体在扩张流道中的流动特征,给出了流场图和速度场图,并分析了修正上随体MaxweⅡ流体的非牛顿幂律特性及粘弹性对流场的影响。研究表明,在扩张流道中,随着幂律指数的逐渐增大,速度等值线逐渐向凹角内伸展,流动区域增大;随着粘弹性的增强,流体的波及体积增加,波及效率增大。

黏弹性流体驱替微孔道中残余油滴的水动力学机制

选取上随体Maxwell本构方程建立黏弹性流体在微孔道中的流动方程,运用控制体积法和交替方向隐式(ADI)方法得到流场的数值解,计算流动的速度场和应力场,分析不同弹性驱替液作用在残余油滴上的驱替力,以及不同弹性驱替液驱替时残余油滴的变形,从水动力学角度探索聚合物溶液所具有的弹性驱替残余油滴的水动力学机制。结果表明:与无弹性的驱替液相比,黏弹性驱替液作用在残余油滴上的法向应力和水平驱替力都更大,而且流场的应力分布也产生突变;在压力梯度相同的情况下驱油时,水、幂律流体、黏弹性聚合物溶液(威森伯格数We=0.3)对残余油滴的推力之比约为1∶8∶20;黏弹性驱替液会使油滴产生更大的变形,驱油效果会更好。

齿轮传动的瞬态弹性流体动力润滑

本文考虑流体可压缩性、重合度对轮齿载荷的影响以及变曲率、变速度的瞬态效应,给出了齿轮传动瞬态弹流润滑方程及其求解方法,在引入齿轮传动的实际工况参数后进行完全数值解,得到了两齿轮在啮合线任意点处的油膜压力分布和油膜形状以及最小油膜厚度沿啮合线的变化曲线。

一种基于粒子的牛顿流体与粘弹性流体统一模拟方法

在越来越受到人们关注的基于物理流体动画领域,目前分别模拟牛顿流体或粘弹性流体的方法很多,但很少有统一模拟两者的方法.文中基于光滑粒子流体动力学方法,通过对传统纳维-斯托克斯方程添加弹性应力项,提出了一种新的统一模拟牛顿流体和粘弹性流体的方法.通过实验说明该方法不仅有效,易于实现,而且具有良好的可控性,仅仅通过调节参数就可以模拟不同粘弹性、不同类型的流体现象.