偏心螺旋环流混合器内的混沌混合

摘要

流体混合是自然界和各种生产工程中都广泛存在的过程,许多原因引起人们对混合的兴趣.对于聚合物这样的高粘物系,不可能产生湍流来产生高效混合,层流混合是高粘流体唯一可能的混合方式.随着聚合物加工中混合的重要性增加,必须更好理解层流混合机理.最近粘性流体分布混合和动力系统的混沌行为联系起来,为分析和理解各种混合提供了新思路.该文通过实验和计算手段系统地研究偏心螺旋环流混合器EHAM的牛顿和非牛顿流体混沌对流,希望获得影响混沌混合的主要因素并对工业生产中混合器的设计和研究提供指导.首先,采用数值模拟和实验比较确定了流体弱性对混沌混合的影响.实验采用作者配置的等粘度弹性流体,并用流变测量的结果确定Oldroyd_B本构方程的参数.数值模拟采用高阶有限元获得高精度的流场,计算周期和非周期混沌混合中的染色液滴对流图案和实验进行比较.并采用数值图像处理的方法对实验图片进行处理,比较不同条件下混沌混合的效果.然后,该文提出两种定量表征二维混沌混合的方法,并通过数值模拟分析角位移和偏心距对混沌混合的影响.最后,通过计算三维EHAM混沌混合中代表性流体质点的拉伸效率行为,确定轴向压力梯度的影响.其中,提出定量表征三维EHAM总体混合效果的方法,并对牛顿流体、粘弹性流体和剪切变稀流体的混合效果进行了比较.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1流体混合概述

1.2混合机理

1.3分布混合进展

1.4本文研究内容和构成

第二章流体混沌混合理论基础

2.1流动和映射

2.2流体运动方程

2.2.1不可压缩流体守衡方程

2.2.2本构方程

2.3流动可视化的几类古典方法

2.3.1质点轨迹或迹线

2.3.2流线

2.3.3脉线

2.4流体的变形

2.5混沌流特征

2.6研究混沌混合的常用方法

2.6.1染色液滴的被动对流

2.6.2拉伸效率

2.6.3分离强度(Intensity of segregation)

本章小结

第三章偏心螺旋环流混合器模型

3.1二维偏心圆筒模型

3.2三维偏心螺旋混合器模型

本章小结

第四章EHAM混合器中流动的有限元计算

4.1流动控制方程

4.1.1平面流动

4.1.2 EHAM管流

4.2有限元离散

4.2.1平面问题的有限元弱解形式

4.2.2 EHAM中充分发展管流的有限元弱解形式

4.2.3流函数有限元离散

4.3计算精度检验

本章小结

第五章偏心圆筒内Boger流体混沌混合

5.1 Boger流体的配制及流变性质

5.2混沌混合实验装置和实验方法

5.3标记流体跟踪模拟

5.4实验结果和计算结果比较

5.5实验照片数字图象处理

5.6实验误差分析

本章小结

第六章偏心圆筒平面混沌混合的定量表征

6.1线拉伸和线拉伸效率

6.2分离强度计算

6.3角位移θT对混沌混合的影响

6.4偏心率对混沌混合的影响

本章小结

第七章EHAM管内的混沌混合数值模拟

7.1轴向压力梯度对混合的影响

7.2表征EHAM混合器总体特性的方法

7.3 EHAM混合器的混合效果

本章小结

第八章结论与展望

8，1研究总结

8.2相关工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表和录用的论文

致谢