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。

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。

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。

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。

黏弹性流体作用于聚驱井抽油杆上的径向力

通过计算黏弹性流体偏心环空流动速度场,推导了双极坐标中下随体 Maxwell本构方程,分析了偏心环空中的应力分布及作用在抽油杆上的径向力. 结果表明,偏心距是产生径向力的主要因素.

SPTT黏弹性流体在突缩流道内的流动

采用Simplified Phan-Thien-Tanner(SPTT)本构方程描述黏弹性流体流变特性,利用数值计算方法模拟了SPTT黏弹性流体在突缩流道中的流动特征。建立了由连续性方程、运动方程和SPTT本构方程、流函数、涡量函数及边界条件组成的完整数学模型。绘制了黏弹性流体在突缩流道中的流场和速度场的等值线图。分析了黏弹性流体的黏弹性对流场的影响。在突缩流道中,随着黏弹性的增强,即威森博格数的增大,流体的波及体积增加,波及效率增大。

黏弹性流体纯弹性不稳定现象研究综述

近年来黏弹性流体流动的纯弹性不稳定现象引起了越来越多学者的关注与研究,与牛顿流体惯性不稳定现象不同,这种现象是由黏弹性流体流动中的弹性应力和黏性力之间相互作用,使得在较低的雷诺数Re下即可产生复杂的流动分岔不稳定现象.当流动中的弹性数较大时,在Re<<Rec(惯性不稳定性产生的临界雷诺数)下,黏弹性流体流动中也可能产生完全由弹性应力引起的纯弹性不稳定现象.以Taylor–Couette流动为基础,对黏弹性流体流动中产生纯弹性不稳定现象的研究现状从实验、理论分析和数值模拟3个方面进行总结.通过对比这3个方面,总结了弹性流动不稳定现象发生的过程与机理、流动不稳定性产生的影响因素及其作用方式,并对目前研究的不足之处以及今后可能的发展趋势作了分析和展望.

黏弹性流体在内管做轴向运动的偏心环空中的速度分布

利用下随体Maxwell本构模型,建立了双极坐标系下黏弹性流体在内管做轴向运动的偏心环空中定常流的控制方程,利用控制体积法对其离散化处理,并用 ADI方法求解流场的速度分布,分析了偏心距等参数对速度分布和流量的影响. 结果表明,偏心距对流场的速度分布和流量影响较大.

广义Maxwell黏弹性流体在两平板间的非定常流动

将分数阶微积分运算引入Maxwell黏弹性流体的本构方程,研究了黏弹性流体在两平板间的非定常流动.对于广义Maxwell黏弹性流体的分数阶导数模型,导出了对时间具有分数阶导数的特殊运动方程,利用分数阶微积分的Laplace变换理论,得到了流动的解析解.

黏弹性流体基纳米流体流变学特性

黏弹性流体基纳米流体(viscoelastic fluid based nanofluid,VFBN)是一种具有湍流减阻和对流换热相对强化特性的新型换热工质,其湍流减阻机理与流变学特性关系密切。通过对以2.5×10-3、5×10-3、1×10-2三种质量分数的十六烷基三甲基氯化铵/水杨酸钠水溶液为基液,粒子体积分数为0.1%、0.25%、0.5%、1.0%的铜纳米流体的剪切黏度、零剪切黏度以及松弛时间的测量,实验结果表明VFBN有明显的剪切稀变特性,同时纳米粒子的添加增大了基液的零剪切黏度,并导致基液黏弹性增强。以Giesekus本构模型为理论基础,利用实验参数得到了描述VFBN剪切黏度的实验关联式。

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型,介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展.通过线性稳定性理论,分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, DarcyBrinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman-Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响.利用弱非线性分析方法,揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况,以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式.采用数值模拟方法,研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的,而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞,最后发展为混沌状态.

复杂黏弹性流体运动的数值计算方法

本文提出了一个能够描述具有复杂黏弹性的流体在各种条件下发生变形和流动的数学模型,并建立了相应的数值求解方法。数值方法是在计算流体动力学中常用的SMAC方法的基础上改进时间步进格式,依据问题的性质合理选用显式或隐式,从而达到提高计算效率的目的。数值模型被应用于Oldroyd-B黏弹性流体平板剪切流起动问题的计算,得到的数值解与理论解吻合良好。论文还对针对平板间平行流动进行数值实验,对算法的稳定性和收敛性进行了分析。

黏弹性流体在油藏孔隙模型中的流动阻力特性

采用上随体Maxwell本构方程描述流体的流变性,用数值方法研究了黏弹性流体在2类典型的油藏孔隙模型———孔喉模型和盲端模型中的流动阻力特性.分析了低雷诺数流动条件下,具有不同黏弹性质的流体在喉道和盲端附近的流动特性和压力损失规律.研究结果表明:黏弹性流体在孔隙变截面处的局部压力损失远高于相同流动条件下无弹性纯黏流体的局部压力损失;黏弹性越大,局部压力损失越大;黏弹性流体在变截面孔隙中的高局部压力损失是导致其在多孔介质中渗流阻力异常高的重要原因之一.

黏弹性流体在圆管内流动的谱方法模拟计算

采用修正Jeffreys模型来描述聚丙烯酰胺水溶液流变特性.首先用具有二阶精度的差分法与拟谱法求解幂率模型,分别与解析解进行比较,结果表明拟谱法具有极高精度.然后用拟谱法求解PAM水溶液在圆管中流动,得到速度分布、应力分布,为三维模拟作准备.

轴流式血泵黏弹性流体水动力特性数值模拟

将一种黏弹性流体k-ε模型应用于自行设计的轴流式血泵内流动特性的数值模拟,分析了轴流泵的水动力特性,得到了泵壳与转子间狭缝中以及叶轮流道内的紊动能和紊动能耗散率的分布规律.研究发现:在相同流量和转速条件下,质量分数为0.06%的黄原胶水溶液的扬程高于以水为工质时的相应扬程,二者最大约相差35%,且计算结果与实测数据符合良好;轴流泵内黄原胶水溶液的紊动能和紊动能耗散率均显著低于水的相应值,粗略估算每千克黄原胶水溶液的机械能损失只是水的相应值的37%,表示以黏弹性流体为工质时,泵内部的黏性耗损降低,这正是黏弹性流体扬程高于水的扬程的物理原因.

黏弹性流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的平均流量计算

给出黏弹性流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的控制方程、平均流量计算公式以及数值计算方法;利用视为黏弹性流体的质量分数为0.125%的HPAM水溶液,对其在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的平均流量进行数值计算和实验.结果表明,环空偏心度对平均流量影响较大,内管冲程和冲次对平均流量的影响不大;数值计算得到的平均流量与实验测得的平均流量吻合较好,可以认为所给控制方程、平均流量公式以及数值计算方法正确.

黏弹性流体在偏心环空中非定常流的流量计算

给出了双极坐标系下黏弹性流体在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的运动方程、初始条件及边界条件,推导出平均流量计算公式;在利用有限体积法数值求解该控制方程的基础上,用平均流量计算公式对可视为黏弹性流体的HPAM水溶液在内管做轴向往复运动的偏心环空中非定常流的平均流量进行了数值计算;绘制了在不同环空偏心距、内管冲程和冲次下平均流量与压力梯度的关系曲线,并分析了它们对平均流量的影响;对比了黏弹性流体与幂律流体做这种流动的平均流量。分析结果对优化聚驱工况下抽油机的工作参数具有指导意义。