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纤维悬浮边界层湍流场的研究

作　者: 孙科
导　师: 林建忠
学　校: 浙江大学
专　业: 流体力学
关键词: 纤维悬浮流 Fokker-Planck方程湍流边界层取向分布附加应力
分类号: O357.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 36次
引　用: 1次
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内容摘要

基于纤维悬浮流连续介质理论，先计算背景流场，然后用欧拉模型计算纤维粒子，数值模拟了充分发展的二维平板边界层湍流场中纤维粒子的运动。文中对Fokker-Plank方程和悬浮流本构方程进行了分析，详细地讨论了几个重要的流场参数和纤维参数对纤维运动的影响。所得数值模拟结果与相关文献中所给出的实验结果吻合较好。在求解纤维取向分布前，我们先模拟了边界层湍流场，应用单向耦合的欧拉方法来研究这里的固液两相流。由于流场的复杂性，本文用两个不同的方法数值模拟了边界层湍流场，并将它们的结果进行对比，和实验结果比较一致。在得到经过检验的湍流场的各项参数特性后，再数值求解Fokker-Plank方程，从而得到纤维取向分布。我们发现，在边界层湍流场中，纤维取向分布主要集中在偏角为0°到40°的范围内，即偏向于流向方向。长径比是影响纤维取向分布的主要因素，而流场的法向位置y和雷诺数的影响比较小。长径比越大，纤维取向分布越偏向于流动方向。同时我们也发现，二维情况下当长径比小于1时，取向分布理论及计算仍可适用，只要把纤维当成长度和直径互换的新纤维就可以了。在取向分布已经求出来的情况下，我们就可以用悬浮流的本构方程及取向张量的理论来解流场应力及纤维的附加应力了。计算结果表明，在稀悬浮流中，α₁₁₂₂的增加导致附加粘度的增大，但对等效粘度的影响很小。α₁₁₁₂和α₁₂₂₂的差值缩小，意味着由纤维粒子带来的悬浮流场的本构关系的各向异性程度降低。第一法向应力差和剪切应力的各个分布图轮廓基本由流场的剪切率（?）的曲线轮廓决定。相对来说，在边界层湍流中，前者比后者小很多，也可以说是附加应力远小于剪切应力。体积浓度和长径比对附加应力影响较大，对剪切应力影响很小。雷诺数对各个应力分布影响很大，它增加则各应力值减小，悬浮流各向异性程度降低。压力梯度对应力分布有一定影响但不大。通过两种不同的背景流场计算模式可知，应力分布对时均速度或剪切率的变化敏感，但取向分布对这种变化反应不敏感。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-19
  1.1 纤维悬浮流的基本背景  10-11
  1.2 纤维悬浮流的研究综述  11-17
  1.3 本文主要内容及创新点  17-19
第二章基本理论和方法  19-26
  2.1 纤维取向分布  19-20
  2.2 纤维悬浮流连续介质理论  20-22
  2.3 湍流场纤维取向分布方程  22-24
  2.4 纤维的两个扩散系数  24-26
第三章纤维在二维边界层湍流场中的运动  26-47
  3.1 背景简介  26
  3.2 背景湍流场  26-31
  3.3 流场结果分析  31-36
  3.4 纤维运动模拟  36-40
  3.5 纤维运动结果分析  40-45
  3.6 小结  45-47
第四章纤维悬浮流应力分布  47-64
  4.1 取向张量  47-48
  4.2 应力理论分析  48-50
  4.3 计算结果及分析  50-62
  4.4 小结  62-64
第五章总结与展望  64-67
  5.1 全文总结  64-65
  5.2 对今后工作的展望  65-67
参考文献  67-71
附录A  71-72
攻读硕士学位期间发表的论文  72-73
致谢  73

纤维悬浮边界层湍流场的研究

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