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粘弹性流体Taylor-Couette流动不稳定现象研究

作　者: 阳倦成
导　师: 李凤臣
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: Taylor-Couette流动惯性不稳定弹性不稳定直接数值模拟
分类号: O357
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 49次
引　用: 1次
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内容摘要

流动不稳定性问题一直以来都是流体力学研究的中心问题。Taylor-Couette(T-C)流动装置以其结构简单、存在封闭流动系统并能产生丰富的不稳定流态等优点,成为实验和理论研究不稳定现象及流动转捩的经典装置。本文以T-C流动为基础,从实验和数值模拟两个方面来研究牛顿流体和粘弹性表面活性剂(十六烷基三甲基氯化铵,简称CTAC)水溶液所产生的惯性和弹性不稳定现象,以得到产生流动不稳定现象的临界参数以及从层流到湍流转变过程中的各种不稳定流动形态,并分析产生流动不稳定现象的机理。在实验方面,首先自行设计了符合实验要求的两种不同内外径比的T-C流动实验台,并以这一实验台为基础,对牛顿流体(蒸馏水)、50ppm CTAC水溶液、200ppm CTAC水溶液和1000ppm CTAC水溶液分别应用高速摄像机进行大量流动可视化的实验研究。对于蒸馏水而言,得到了其在T-C流动中惯性诱导不稳定现象的临界Re数、不同Re数下的不稳定流态图以及处于不稳定状态时T-C流动中Taylor涡的波长和Re数及内外径比的关系;对于不同浓度的CTAC水溶液而言,得到了其在T-C流动中产生的由弹性诱发的不稳定现象的临界Wi数以及变Wi数或不变Wi数时的流态变化时序图。在数值模拟方面,通过编程对添加弹性应力的二维柱坐标系下的Navier-Stokes方程进行直接求解,采用较为优越的Kurganov-Tadmor格式对描述粘弹性流体弹性应力和变形的本构方程中的对流项进行求解,解决了对流项容易发散的问题,并应用多重网格提高了数值模拟的计算速度。对实验中的蒸馏水和1000ppm CTAC水溶液进行了流动不稳定现象的直接数值模拟(DNS)研究,得到了产生不稳定现象时的速度场和压力场以及实验测量中无法得到的粘弹性流体变形场在整个流场中的分布情况,从定量上研究了惯性和弹性不稳定现象。DNS的结果与实验相应工况结果基本一致,这充分说明了实验和数值模拟的结果是可信的。最后,基于实验和数值模拟的结果,分析了产生惯性不稳定现象和弹性不稳定现象的机理,对实验和数值模拟可能存在的误差进行总结,并给出了今后继续对流动不稳定现象研究的方向。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-26
  1.1 课题的来源和研究的背景及意义  8-11
    1.1.1 课题的来源  8
    1.1.2 课题研究的背景及意义  8-11
  1.2 Taylor-Couette 流动不稳定现象研究进展  11-23
    1.2.1 理论研究  11-20
    1.2.2 实验研究  20-23
  1.3 不稳定现象产生机理  23-25
  1.4 本论文的主要研究内容  25-26
第2章实验及数值模拟方法  26-52
  2.1 前言  26
  2.2 Taylor-Couette 流动实验介绍  26-36
    2.2.1 实验装置  26-29
    2.2.2 实验流体及示踪粒子  29-34
    2.2.3 实验过程及数据处理方法  34-36
    2.2.4 实验工况  36
  2.3 Taylor-Couette 流动直接数值模拟介绍  36-51
    2.3.1 粘弹性流体本构模型  36-39
    2.3.2 控制方程及计算方法  39-48
    2.3.3 数值模拟可靠性的验证  48-51
    2.3.4 直接数值模拟工况  51
  2.4 本章小结  51-52
第3章 Taylor-Couette 流动不稳定现象实验研究  52-73
  3.1 前言  52
  3.2 牛顿流体Taylor-Couette 流动不稳定现象实验  52-59
    3.2.1 Taylor-Couette 流动的不同流态研究  52-58
    3.2.2 Taylor 涡的波长与Re 数及内外径比之间的关系  58-59
  3.3 粘弹性流体Taylor-Couette 流动不稳定现象实验  59-71
    3.3.1 产生流动不稳定现象的临界Wi 数  60-62
    3.3.2 不同Wi 数下的流态  62-65
    3.3.3 流态变化时序图  65-71
  3.4 本章小结  71-73
第4章 Taylor-Couette 流动不稳定现象数值模拟研究  73-91
  4.1 前言  73
  4.2 牛顿流体Taylor-Couette 流动不稳定现象DNS  73-79
    4.2.1 临界Re 数  73-74
    4.2.2 不同Re 数下速度场和压力场分布  74-77
    4.2.3 不同Re 数下涡结构的演化  77-79
  4.3 表面活性剂水溶液Taylor-Couette 流动不稳定现象DNS  79-89
    4.3.1 不同Wi 数下速度场、压力场和变形场分布  79-88
    4.3.2 不同Wi 数下涡结构的演化  88-89
  4.4 本章小结  89-91
结论及展望  91-93
参考文献  93-99
攻读学位期间发表的学术论文  99-101
致谢  101

粘弹性流体Taylor-Couette流动不稳定现象研究

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