电流变悬浮液在poiseuille流场下的动力学理论及试验分析

摘要

电流变效应机理,由于它的微观性和复杂性,直到今天仍然是科学家的研究课题。无论是前期描述电流变效应的静电极化模型、界面极化模型,还是近期WeijiaWen等提出的基于极化理论的Wetting-induced效应,都存在诸多质疑。尽管专家们在极化理论的基础上补充了结构效应,提出了如极化-结构-流变、极化-耗散-结构-流变等理论模式,但这些对电流变效应机理的描述一般是建立在静态流动场和准静态流动场的观察中,它不能充分地描述电流变材料的动力学行为。前期对电流变效应所进行的研究工作中存在的缺陷是忽视了动态下的观察和研究,这对电流变材料的应用研究来说,无疑是不利的。
　　本文是以S.SZhu等所做的电流变悬浮液应用于流体动力传输的试验过程为研究背景,来展开对电流变悬浮液在Poiseuille流场下的动力学进行研究的。主要研究工作如下:
　　(1)在偶极模型、Maxwell一Wagner模型等原有模型基础上,引入电流变液颗粒偶极矩的大小和方向在颗粒旋转时的变化,通过参考J.G.Cao等所提出的模型,建立了一个修改了的Maxwell一Wagner模型。并以该模型为基础,理论分析了不同介电性质电流变液材料的偶极矩倾角、总偶极矩随剪切频率变化关系,以寻求理论上的最佳抗剪切变稀性能的电流变液材料。最后理论分析了电流变液颗粒在Poiseuille流场下的流动形式,以揭示不同流道宽、电场强度等对负载流量,或工作压差的作用及影响规律,以此为的实验研究提供可靠的理论依据。
　　(2)运用静电能密度方程对基于俘获效应的“结构-力”动态耦合数学模型进行了理论推导和分析。然后以修正的Maxwell-Wagner模型为基础,采用分子动力学方法,推导出在Poiseuille流场下的电流变悬浮液颗粒的无量纲动力学方程,进而采用周期性边界条件,模拟了颗粒在不同电场情况下,在不同压力梯度场情况下的运动情况,并重点讨论和分析了电流变悬浮液颗粒在Poiseuille流场下由于俘获效应的影响,所引起的动力学特性。最后,对于不同电场强度时,相对粘度随压力梯度变化关系及电流变悬浮液颗粒在恒定电场时,压力梯度值不断递增时的终态结构变化规律进行了仿真,以探讨电流变悬浮液在Poiseuille流场下的流变特性及寻求最佳压力梯度值。
　　(3)对整个实验系统进行了设计和选型。重点讨论了试验元件对阶跃信号的动态响应特性以及实验元件在不同电场强度、工作时间下的介电常数的测量结果,从实验研究的角度出发,论证了,在Poiseuille流场中,在恒电场下,随着时间的增加,电敏颗粒呈链状网络结构以及导致固相分率随时间发生变化,至使控制流动场的压降缓慢上升的“俘获效应”。

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主要符号说明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 电流变技术工程应用研究现状

1.3 本课题选题依据及其研究意义

1.4 本文的主要研究内容

第2章 电流变液颗粒在Poiseuille流场下的理论形式

2.1 引言

2.2 电流变液颗粒理论模型

2.3 电流变液颗粒在poiseuille流场下的流动形式

2.4 本章小结

第3章 电流变悬浮液在Poiseuille流场下的俘获效应及其动力学研究

3.1 引言

3.2 俘获效应理论

3.3 结构动力学建模及其仿真

3.4 本章小结

第4章 电流变悬浮液在Poiseuille流场下的实验工作

4.1 引言

4.2 电流变控制元件的基本尺寸和实验系统设计

4.3 实验数据分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 本文主要创新点

5.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的学术论文