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非牛顿流体在旋转曲线管道内的对流换热研究

作　者: 张明侃
导　师: 章本照
学　校: 浙江大学
专　业: 流体力学
关键词: 非牛顿流体弯曲管道二次流动旋转系统对流换热摄动解
分类号: O373
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

非牛顿流体是广泛应用于化工领域的性质不同于传统牛顿流体的流体,而直线管道和旋转曲线管道系统广泛存在于实际化工工程的各种旋转机械装置中的流体输运管路系统、控制管路系统和管路冷却系统中。非牛顿流体与管路系统相结合,那么管路系统中的流动和换热特性将会产生什么样的变化,与牛顿流体相比有什么新的特性,是对管路系统地性能以及旋转装置的安全运行有着重要影响的问题,又是管道中研究甚少的且急需解决的课题。同时,这个课题还可以应用于生物流体力学:可以作为血管血液流动问题的一个基础性研究。因此本课题具有重要的理论意义和广阔的应用前景。本文主要研究两种Oldroyd型本构方程的流体(Oldroyd-B方程和Oldroyd 3常数方程)分别在旋转平面弯管内的对流换热和在直管道内的流动。其中对于旋转平面弯管内Oldroyd-B流体的对流换热问题采用摄动方法和Galerkin方法,而对于直管道内Oldroyd 3常数流体的流动问题采用数值方法研究。在总结和分析了半个世纪以来有关非牛顿流体管道流动和换热特性研究成果的基础上,本文的主要创新之处是:首次对旋转弯曲管道内Oldroyd-B流体充分发展流动的流动结构和对流换热特性以及直管道中Oldroyd 3常数流体充分发展的流动结构进行了系统的理论分析和数值模拟。详细讨论了各种无量纲参数对于轴向速度分布、二次流动、温度分布、轴法向应力,摩擦系数和Nusselt数的影响,获得了若干重要结果。本文的结果表明:在静止曲线管道内流动中,充分发展的Oldroyd-B流体和牛顿流体有着明显的区别,主要表现在弹性力的作用。弹性力的加强会使得轴向速度分布、温度分布和二次流结构向外壁侧移动,轴法向应力变大,也会对摩擦系数和Nusselt产生影响。当曲线管道旋转时,旋转对于充分发展的Oldroyd-B流体也有着很大影响,正旋转会使得管道摩擦系数变大,管道换热效果增强:而负旋转会使得二次流结构变化复杂,当负旋转到达一定程度时,二次流结构最复杂,摩擦系数最小,换热效果最差。Oldroyd 3常数流体在直管内的充分发展流动由于第二法向应力差的影响,会在截面上产生二次流动,这是Oldroyd-B流体和牛顿流体都没有的现象。进一步的研究还表明,由于弹性的变化,二次流动结构还会发生很大变化。;

全文目录

全文摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-29
  1.1 概述  10-14
  1.2 非牛顿流体管道内部流动与换热特性研究综述  14-24
    1.2.1 非牛顿流体本构方程简介  14-16
    1.2.2 牛顿流体弯管流动传热研究综述  16-18
    1.2.3 非牛顿流体弯管流动综述  18-20
    1.2.4 非牛顿流体直管流动和传热研究综述  20-24
  1.3 非牛顿流体管道内部流动与换热特性研究背景及意义  24-26
  1.4 本文的研究内容和结构  26-27
  1.5 本文的创新之处  27-29
第二章数学物理模型及求解方法  29-52
  2.1 引言  29-30
  2.2 正交曲线坐标系下的控制方程的建立  30-45
    2.2.1 旋转曲线坐标系统下的流体运动学方程、本构方程及能量方程  30-31
    2.2.2 坐标系统及其控制方程  31-39
    2.2.3 控制方程的无量纲化  39-45
  2.3 理论和数值求解方法  45-52
    2.3.1 摄动方法  45-46
    2.3.2 有限体积法  46-50
    2.3.3 Galerkin方法  50-52
第三章旋转圆截面弯管内Oldroyd-B流体对流换热特性  52-83
  3.1 引言  52-53
  3.2 旋转圆截面弯管内Oldroyd-B流体的流场和温度场的摄动解  53-62
  3.3 旋转圆截面弯管内Oldroyd-B流体的流场和温度场的 Gelarkin解  62-64
  3.4 结果与讨论  64-82
  3.5 结论  82-83
第四章旋转方截面弯管内Oldroyd-B对流换热特性  83-107
  4.1 引言  83-84
  4.2 方截面旋转弯管对流换热 Gelarkin方法解  84-85
  4.3 结果与讨论  85-106
  4.4 结论  106-107
第五章方截面直管内Oldroyd 3常数流体流动特性  107-118
  5.1 引言  107-108
  5.2 数值方法介绍  108-109
  5.3 结果与讨论  109-117
  5.4 结论  117-118
第六章总结和展望  118-122
  6.1 旋转圆截面弯曲管道内Oldroyd-B流体流动和对流换热特性  118-119
  6.2 旋转方截面弯曲管道内Oldroyd-B流体流动和对流换热特性  119-120
  6.3 方截面直管内Oldroyd 3常数流体流动特性  120
  6.4 相关研究展望  120-122
参考文献  122-129
攻读博士学位期间发表的论文目录  129-131
致谢  131

非牛顿流体在旋转曲线管道内的对流换热研究

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