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幂律流体连续自修复系统过程研究

作　者: 徐兵
导　师: 张后雷
学　校: 南京理工大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 自修复幂律流体多尺度优化流阻
分类号: TB30
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

材料在加工、使用过程中会受到力和热的作用,从而在材料内部或表面产生裂隙,为避免裂隙发展影响材料的使用和寿命,需要进行修复。在许多场合人工修复成本太高甚至无法进行,需要材料能够自修复。目前研究较多的是把修复剂封装在胶囊或空心纤维内后埋置入材料内,属于一次性完全被动式自修复方案。采用外部泵驱动的连续自修复方案属于连续半被动式自修复方案。目前对连续自修复过程的研究有限,主要局限于牛顿流体,实际使用的修复剂性质复杂,多为非牛顿流体,本文将对非牛顿流体特别是幂律流体的连续自修复过程特性进行深入研究。首先,作者对正交自修复网状流道结构进行了研究。在给定流量下,采用一维层流模型,以流阻为优化目标,对恒定流道体积下的双尺度、多尺度流道结构进行了优化；以流道体积、流阻为优化目标,对多尺度流道结构进行了遗传算法优化；同时对典型的双尺度结构进行了三维数值模拟和实验。结果表明：流量一定时,双尺度结构降低了流阻,幂律指数越大,减阻效果越显著；典型的三维数值模拟结果与一维计算结果一致,实验结果也证实了双尺度结构能够降低流阻；流量一定时,增加尺度数能进一步降低流阻；双目标遗传优化结果表明,幂律指数不同时,Pareto前沿不同,在设计流道结构时可以参考遗传优化结果初选流道体积,然后再进行单目标优化。其次,针对带有备用泵的连续自修复系统流道结构进行了双目标遗传优化。结果表明：系统功耗会随着系统质量的减小而增大；在一定范围内,优化结构能有效降低功耗,当自修复系统质量过大或过小时,优化结构降低功耗的效果不明显；流体性质(如幂律指数、稠度系数),会影响Pareto前沿,多目标遗传算法优化结果不同；自修复系统质量一定时,提高系统可靠性(如增加循环泵数量)将导致维管质量减小,系统功耗增大,多尺度优化结果发生变化。最后,对表面裂隙修复剂充注及铺展流动进行了三维数值模拟,结果表明,剪切稀化流体在裂隙的壁面及拐角处铺展较快,相界面梯度较大；幂律指数、稠度系数都小的流体充注时有气泡产生,并且裂隙还未充满修复剂,材料表面铺展过程即进行；增大压力的流动过程类似幂律指数、稠度系数都小的流体的流动过程,会产生气泡及铺展过程的较早进行。典型实验结果(幂律指数0.3703,稠度系数4.339)与模拟结果定性一致；对丙烯酸酯修复剂进行了流动、修复固化过程解耦模拟,得到了动态流场和固化度时变曲线,模拟结果表明固化速度远小于充注铺展过程速度,将流动、固化过程解耦计算是合理的。本文工作可为优化连续自修复系统设计特别是流道设计提供有益参考。

幂律流体连续自修复系统过程研究

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