ANSYS CFX在哈根-泊肃叶方程教学实践中的应用

在对哈根-泊肃叶方程理论分析和推导的基础上,借助于ANSYS CFX进行流场的数值计算,获得速度场和剪切速率的分布以及壁面的剪切应力等多个物理量的分布以及较为直观的可视结果和可靠数据,进一步的提高了教学效果,促进了学生的理解能力与动手实践的兴趣。     

聚合物驱试井分析叠加原理适用性的探索

建立考虑聚合物剪切变稀特性的聚驱试井数学模型,基于矩形网格和井筒周围径向加密的复合网格。采用有限体积方法求得数值解,将数值解与叠加原理得到的注聚井停注压降进行对比。结果表明：叠加原理计算得到的注聚井关井井底压力值远低于数值解,说明叠加原理不能用于聚合物驱试井解释。在实测注聚井压降资料解释中,叠加原理得到的渗透率明显偏低,进一步证明了叠加原理不适合非线性聚驱试井模型,数值方法更加适用于聚驱试井解释。研究结论适用于类似的非线性试井问题。     

多颗粒在牛顿流体中沉降的模拟研究

采用格子Boltzmann-虚拟区域方法对多颗粒在牛顿流体中沉降的过程进行了直接数值模拟,颗粒之间的碰撞采用弹性力模型。考察了颗粒初始间距、雷诺数对颗粒沉降形态及沉降速度等的影响。结果表明,奇数与偶数颗粒群的沉降形态及沉降速度差异较大。对于奇数颗粒群(5个),当雷诺数较低时颗粒群呈"凹"形沉降,而当雷诺数增大时中间颗粒会脱离颗粒群,剩下的颗粒群或呈"凹"形或呈"凸"形,这与初始间距有关,文献中仅获得雷诺数较低时的情况。对于偶数颗粒群(6个),当雷诺数较小时呈"凸"形沉降,而当雷诺数增大时颗粒会发生"DKT(DriftingKissing-Tumbling)"现象,且当初始间距增大时发生"DKT"的对象不再是靠近壁面的颗粒对,已有文献中没有观察到这一现象。     

刮膜蒸发器内非牛顿流体流场特性数值模拟

刮膜蒸发器是通过旋转刮板强制成膜,可实现高黏度非牛顿流体类物料平稳蒸发的新型高效蒸发器.蒸发器内流体的流动、分布与传输机制直接决定了蒸发器的蒸发效率与功耗.不同于现有研究主要基于牛顿流体开展,本文针对不同黏度的非牛顿流体,建立蒸发器三维计算流体动力学模型,系统研究了蒸发器内的流场分布特性和成膜机理.结果表明:低黏非牛顿流体的流场分布特性和牛顿流体类似,物料可在壁面形成均匀且连续的液膜;随着黏度的增加,液膜的均匀性和连续性逐渐变差.通过对流场分布与传输形式的研究,结合液膜分布、速度分布、剪应变率分布,以及黏度分布进行对比分析发现,蒸发器内部结构与运行状态形成的剪切场与黏度分布是蒸发器良好成膜的关键.此外,提出对刮板前缘进行弯折可辅助高黏流体液膜铺展,并对最佳弯折角度进行探索.本研究为刮膜蒸发器的设计和应用提供了理论指导与依据.     

An enhanced treatment of boundary conditions in implicit smoothed particle hydrodynamics简

In this work, an enhanced treatment of the solid boundaries is proposed for smoothed particle hydrodynamics with implicit time integration scheme （Implicit SPH）. Three types of virtual particles, i.e., boundary particles, image particles and mirror particles, are used to impose boundary conditions. Boundary particles are fixed on the solid boundary, and each boundary particle is associated with two fixed image particles inside the fluid domain and two fixed mirror particles outside the fluid domain. The image particles take the flow properties through fluid particles with moving least squares （MLS） interpolation and the properties of mirror particles can be obtained by the corresponding image particles. A repulsive force is also applied for boundary particles to prevent fluid particles from unphysical penetra- tion through solid boundaries. The new boundary treatment method has been validated with five numerical examples. All the numerical results show that Implicit SPH with this new boundary-treatment method can obtain accurate results for non-Newtonian fluids as well as Newtonian fluids, and this method is suitable for complex solid boundaries and can be easily extended to 3D problems.     

电流动聚焦中非牛顿流体射流影响因素的实验研究

在一套流动聚焦装置上加载高压直流电场形成电流动聚焦,并开展了非牛顿流体带电射流的不稳定性特性实验研究。实验在自行设计的装置系统上完成,获得了电流动聚焦中非牛顿流体射流的流动状态,考察了不同控制参数下射流形态的变化。结果表明,由于非牛顿流体具有粘弹性,与牛顿流体相比,非牛顿流体带电射流体现了更复杂的流动特点。这些实验结果为我们理解复杂条件下非牛顿流体射流的流动机理提供了参考,也有助于深入的实验分析和理论研究奠定了基础。     

Effects of shear-thinning/thickening nature on the stability of Couette-like flow with uniform crossflow

The linear stability of wall-injected pressure- driven Couette-like flow in power-law fluids is studied. Previous study on this kind of flow for Newtonian fluids by Nicoud and Angilella [Phys. Rev. E 56, 3000 （1997）] was extended to power-law fluids to understand the effects of shear-thinning/thickening nature on the flow stability. A related expression between the critical crossflow Reynolds number for Newtonian fluids and that for power-law fluids is obtained as the streamwise Reynolds number is large enough based on numerical computations, and verified theoretically in the case of a limiting condition with the power-law index.     

正方形小通道内的非牛顿流体-氮气两相流动流型的实验研究

对水力直径为2.5 mm的正方形小通道内的非牛顿流体-氮气的垂直向上两相流动流型进行了可视化实验,工质分别为:浓度0.2%的聚丙烯酰胺(PAM)和0.2%的黄原胶(XG)水溶液,表观气速0.1～100 m/s,表观液速0.01～6 m/s.观察到的典型流型有:弹状流、搅拌流、弹环状流和环状流,其中弹环状流未见于水-空气上升流动.在PAM-氮气实验中发现了一种新流型-泡状-弹状流.通过流型图对比,发现非牛顿流体的搅拌流区域较牛顿流体窄,弹状-搅拌流转变线也明显右移,非牛顿流体的黏性对流型转变的影响较大.     

Analysis of Rheological Behavior of Some Aqueous PEO Gels under Thermal Treatment

Evolution of viscosity of some aqueous poly （ethylene oxide） gels is observed as functions of polymeric concentration and temperature for samples subjected to thermal shock. The experimental data are analyzed following an appropriate algorithm, and reveal the transient effect from Newtonian to non-Newtonian flow as a function of the polymeric concentration.     

基于分形导数对非牛顿流体层流的数值研究

非牛顿流体具有复杂的流变特性,揭示该流变特性可以更加合理地指导非牛顿流体在工农业生产中的应用.经典的非牛顿流体本构模型往往形式复杂,仅能应用于某些特定的情况.分数阶导数模型具有参数少和形式简单的特点,己成功地应用于描述非牛顿流体的运动.Hausdorff分形导数作为一个备选的建模方法,相比分数阶导数具有更简单的形式以及更高的计算效率.本文基于Hausdorff分形导数改进现有牛顿黏性模型,提出分形黏壶模型.通过研究分形黏壶在常应变率下表观黏度的变化情况,以及在加、卸载条件下的蠕变及恢复特性,发现分形黏壶模型适合于描述具有黏弹性的非牛顿流体(本文称之为分形流体).结合连续性方程及运动微分方程,推导出分形流体在平行板间层流的基本方程.按是否拖动上板和是否存在水平的压力梯度分为3种工况,分别用数值方法计算这3种工况下流速在板间的分布及其随时间变化的情况.通过分析不同工况下的流速分布,发现水平的压力梯度会改变流速随时间变化的形状,且会推迟流速到达稳定的时间.在水平压力梯度不存在的情况下,不同阶数的分形流体具有相同的流速分布或是演变过程.另外,在水平压力梯度存在的情况下,上板速度不影响不同阶数分形流体间稳定速度的差值.