纤维悬浮收缩流道湍流场特性及纤维取向分布控制的研究

摘要

纤维悬浮流是由基体流场和纤维粒子组成的流动，属于典型的流固两相流。随着现代工业中纤维增强工艺的发展，纤维悬浮流的研究价值正日渐凸现。收缩流场是工业中常见的一类内部流场，主要用于流场加速，如射流喷嘴。与槽道流相比，在收缩流线和加速流场的驱动下，纤维的取向比相同入口条件的槽道流有更高的齐整性。而纤维的这种各向异性取向会明显影响相应制品的性能，因此悬浮流中纤维的动力学和取向机制、纤维对流场本构关系的影响以及相关的预测模型和可控性研究是其理论研究的重要内容，也是关系纤维悬浮流工业应用的重要方面。
　　目前很多针对纤维悬浮流的动力学模拟主要采用单向耦合的方法进行，即纤维不影响湍流场。但这种简化一般仅适用于稀相，因为事实上悬浮纤维对湍流场的影响是因其浓度和尺度的不同而不同，尤其在半浓相和浓相下，添加纤维产生的附加应力与流场粘性应力相当或大得多时，悬浮流会表现出依赖于纤维取向特性的非牛顿特征，此时单向耦合的模型就不再适用了。而且随着近年来纤维悬浮流的工程应用越来越多地向非稀相结构延伸，选用合适的连续模型以及建立纤维与流场双向耦合湍流模式的理论就显得相当必要。为此，结合现有的实验和理论研究的成果，本文对收缩湍流场中纤维取向分布模型、纤维悬浮流的耦合模式理论和收缩流场中纤维取向的控制等相关问题进行了更为深入的探讨和研究。
　　论文基于连续介质理论和雷诺平均模型，构建了收缩湍流场中纤维取向概率分布的模型，模型中纤维旋转扩散系数随流场的湍流结构变化而变化。用该模型数值计算和分析了稀相条件下纤维取向分布随收缩比演变的情况，数值模拟的结果与Parsheh实验数据基本吻合。
　　根据收缩湍流场各向异性的流动结构特征，采用了雷诺应力模式方程。而由Batchelor本构理论所构建的耦合纤维附加应力的悬浮流雷诺应力模式方程会比牛顿流体多出一些附加项，这些附加项展开又会产生一些新的未知项。论文考虑到纤维附加应力项推导的结果应与牛顿应力张量项具有类似的形式，故将其表达成由纤维添加而产生的附加分子扩散项QFij和附加粘性耗散项εFij。然后按照对雷诺应力模式方程模化的思想，给出了附加纤维应力项的雷诺应力模式系列方程的封闭形式。同时，鉴于纤维取向分布和流场动力学双向耦合建模的复杂性及其求解的难度，采用连续迭代的方法实现了低计算成本条件下对纤维取向分布Fokker-Planck方程和悬浮流RMS耦合模型的数值模拟。基于此模型，通过数值计算探讨了纤维浓度和长径比对流场速度剖面、湍流特性和纤维取向分布的影响。
　　针对大收缩比流场中受制于流场速度梯度的纤维具有较高各向异性取向的问题，通过引入合适的壁面外形来实现纤维取向分布的控制。为满足湍流动力学求解精度的要求，采用了参数驱动型曲线，同时结合动网格技术和准静态假设来完成可变边界的收缩流场的建模、求解和对壁型曲线的搜索。同样，为解决大收缩比流场中入口的湍流易受流场强拉伸作用而被抑制、静止的湍流板产生的湍流强度不高且不宜控制的问题，利用动网格技术研究了湍流板在不同速度的纵向、横向和小幅摆动下对纤维取向分布和收缩流场中各平均流和湍流量的影响。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 纤维悬浮流动力学理论

1．2．1 流场对纤维的力学描述

1．2．2 纤维间作用力

1．2．3 纤维的重力

1．3 纤维的运动和取向分析

1．3．1 纤维运动和取向的动力学方程

1．3．2 纤维取向动力学方程的封闭算法

1．3．3 纤维取向概率分布描述

1．3．4 纤维取向扩散系数的建模

1．4 纤维悬浮流场的流变特性

1．5 本文研究内容和创新点

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 创新点

第2章 收缩湍流场中纤维取向分布的雷诺平均模型

2．1 纤维悬浮流的连续介质理论简介

2．2 雷诺平均模型

2．3 收缩流道中纤维的取向分布

2．3．1 收缩流道中纤维取向分布的建模

2．3．2 平面收缩湍流场中纤维取向扩散事的确定

2．3．3 收缩湍流场纤维取向分布的单向耦合模拟

2．4 总结

第3章 考虑纤维附加应力的双向耦合的雷诺应力模型

3．1 考虑纤维附加应力的双向耦合的RMS模型

3．1．1 考虑纤维附加应力项的雷诺平均运动方程

3．1．2 考虑纤维附加应力项的雷诺应力方程

3．1．3 考虑纤维附加应力项的湍动能方程

3．1．4 考虑纤维附加应力项的湍能耗散方程

3．2 考虑纤维附加应力的RMS模式化

3．3 收缩湍流场中双向耦合和单向耦合的模拟结果比较

3．3．1 对速度剖面的影响

3．3．2 对流场湍流强度和湍流耗散的影响

3．3．4 对纤维取向分布的影响

3．4 双向耦合条件下纤维的添加对悬浮流流变的影响

3．4．1 纤维浓度对悬浮流场速度剖面的影响

3．4．2 纤维浓度对悬浮流场湍流特性的影响

3．4．3 纤维浓度对收缩流场中纤维取向分布的影响

3．4．4 纤维长径比对悬浮流场速度剖面及其流场湍流特性的影响

3．4．5 纤维长径比对收缩流场中纤维取向分布的影响

3．5 本章小结

第4章 收缩湍流场中纤维取向分布的可控策略研究

4．1 壁面外形的优化和控制

4．1．1 参数化型函数的构造

4．1．2 型线参数与纤维取向分布

4．1．3 变壁面下可动网格生成技术

4．1．4 动网格下壁形的求解结果

4．1．5 分析与讨论

4．2 湍流叶片运动模式的影响

4．2．1 湍流板沿中心流线平动

4．2．2 湍流板横向平动

4．2．3 湍流板小幅摆动平动

4．3 湍流叶片运动模式的讨论

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间主要研究成果