發(fā)布時間：2020-08-14 13:19

【摘要】：粘彈性流體湍流減阻流動是非牛頓流體動力學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。自Toms發(fā)現(xiàn)添加劑湍流減阻現(xiàn)象至今,國內(nèi)外學(xué)者從理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬三方面對這一添加劑湍流減阻技術(shù)開展了大量的研究工作,取得了顯著的研究進(jìn)展,如湍流減阻機(jī)理、最大減阻率漸近線以及減阻技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用等。但目前仍存在諸多問題有待解決,如提出更為全面的湍流減阻機(jī)理、高雷諾數(shù)湍流減阻流動大渦數(shù)值模擬方法等。當(dāng)前,學(xué)者們對粘彈性流體湍流減阻領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)在于具有壁面效應(yīng)的流動中,如管道、槽道和邊界層等。壁面的存在將導(dǎo)致流動的不均勻性,研究粘彈性流體分子微觀結(jié)構(gòu)與旋渦結(jié)構(gòu)的相互作用則更為復(fù)雜。然而,在無壁面效應(yīng)的各向同性湍流中,流體粘彈性的存在并未改變流動中的動量輸運(yùn),但卻能影響不同尺度間的能量傳遞過程。因此,研究粘彈性流體各向同性湍流將對湍流減阻流動特性及機(jī)理的認(rèn)識具有重要的學(xué)術(shù)價值。本文首先采用了雙振蕩網(wǎng)格同步相向/反向運(yùn)動的思想,設(shè)計(jì)了雙振蕩網(wǎng)格湍流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了高雷諾數(shù)近似各向同性湍流。選取典型的具有粘彈性特性的兩類減阻劑水溶液—高聚物和表面活性劑水溶液。采用Kinexus Pro系列旋轉(zhuǎn)流變儀測量了減阻水溶液的剪切粘度特性。結(jié)果表明,不同濃度的聚丙烯酰胺(PAM)水溶液和聚氧化乙烯(PEO)水溶液的剪切粘度都存在剪切稀變特性,而表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨/水楊酸鈉(CTAC/Na Sal)水溶液的剪切粘度展現(xiàn)出了稀變-增稠-再稀變過程。其次,采用粒子圖像測試技術(shù)(PIV)開展粘彈性流體雙振蕩網(wǎng)格湍流實(shí)驗(yàn)研究,分析了流動速度場特征以及湍流重要參數(shù)(如積分尺度、Taylor微尺度、湍動能等);研究結(jié)果表明,流體粘彈性的存在顯著地影響上述流動參數(shù)。提出了基于湍動能來定義流動減阻率的方式,結(jié)果顯示:在無壁面效應(yīng)的雙振蕩網(wǎng)格湍流中,粘彈性流體流動同樣表現(xiàn)出較為顯著的減阻效果,并發(fā)現(xiàn)在CTAC/Na Sal水溶液工況中存在一臨界減阻濃度。從湍動能譜和速度能譜闡述了流體粘彈性對能量輸運(yùn)過程的影響。通過速度偏導(dǎo)數(shù)的高階關(guān)聯(lián)函數(shù)分析,發(fā)現(xiàn)粘彈性流體抑制了流動中的小尺度間歇性。再次,基于PIV數(shù)據(jù)庫,采用本征正交分解(POD)方法和小波變換方法研究雙振蕩網(wǎng)格湍流中渦結(jié)構(gòu)的多尺度特性�；�于POD分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于粘彈性流體流動工況,僅需少量的POD本征函數(shù)即可捕捉流動中的相干結(jié)構(gòu),這說明流動中的相干結(jié)構(gòu)受到了抑制,展現(xiàn)出較為明顯的減阻效果�；�于Daubechies小波變換研究不同尺度渦結(jié)構(gòu)特性,結(jié)果表明:在同一較小分解尺度上,流體粘彈性的存在顯著改變了小尺度渦結(jié)構(gòu)特性;此外,在所有分解尺度上,粘彈性流體對間歇性的貢獻(xiàn)要小。最后,從網(wǎng)格振蕩頻率、溶液濃度、減阻劑種類和網(wǎng)格分形特性四個方面出發(fā),研究其對典型減阻溶液流動中經(jīng)典Kolmogorov p/3標(biāo)度律、擴(kuò)展自相似標(biāo)度律和層次結(jié)構(gòu)標(biāo)度律的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)上述四個參數(shù)均影響了流動中的標(biāo)度律關(guān)系,且所有流動工況中的標(biāo)度指數(shù)均偏離了Kolmogorov p/3標(biāo)度律,并展現(xiàn)出了奇異特性。此外,分析層次結(jié)構(gòu)標(biāo)度律中的間歇參數(shù),再次發(fā)現(xiàn)流體粘彈性的存在抑制了流動中的間歇特性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O373
【圖文】：

3的空調(diào)水系統(tǒng)內(nèi)添加表面活性劑，第一年期間平均減阻率達(dá)到57%（如圖1-1所示），節(jié)約泵用電量61萬kW·h，以當(dāng)時當(dāng)?shù)仉妰r12日元/(kW·h)計(jì)算，可節(jié)約資金732萬日元（約合人民幣55萬元），而第一次投入的表面活性劑減阻劑費(fèi)用只有64.8萬日元（約合人民幣5萬元）；同時，還可減少CO2的排放量。目前這一空調(diào)冷凍水系統(tǒng)仍在正常運(yùn)行中[7]。圖1-1 基于添加劑湍流減阻技術(shù)的泵功耗變化過程：SONY公司某空調(diào)水系統(tǒng)[7]Fig.1-1 The change of power-consumption of pump based on turbulent drag-reducingtechnique: one air-conditioning cooling system in SONY company[7]

圖 1-2 猝發(fā)過程的定性描述[41]Fig.1-2 Qualitative depict of bursting process[41][15]研究表明流向渦在壁面湍流減阻中發(fā)揮著重要構(gòu)與低速條帶的振蕩、低速流體的噴射等過程相互期減少，即降低了相干結(jié)構(gòu)的猝發(fā)頻率，且加寬了

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文觀結(jié)構(gòu)（剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)）處于湍流減阻的最佳狀態(tài)al 水溶液流動 f 達(dá)到該溶液濃度和流體溫度下的最小值，同；（3）狀態(tài) III，即 Rec< Re < Re2區(qū)，CTAC/NaSal 水溶加而增大，這是因?yàn)?Re 數(shù)增加使流動中剪切應(yīng)力增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)；（4）狀態(tài) IV，即 Re> Re2區(qū)，由于流動中剪切應(yīng)力結(jié)構(gòu)被完全破壞，減阻失效，最終 CTAC/NaSal 水溶液流。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 顧衛(wèi)國;王德忠;川口靖夫;張紅霞;;基于小波分析的表面活性劑減阻流體二維流場流動特性研究[J];水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯;2009年04期

2 王藝;宇波;張勁軍;魏進(jìn)家;張紅娜;李鳳臣;川口靖夫;竇丹;;粘彈性減阻流動的雷諾應(yīng)力模型研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2009年04期

3 焦利芳;李鳳臣;董泳;蘇文濤;魏進(jìn)家;宇波;;表面活性劑溶液在不規(guī)則管件內(nèi)的湍流減阻特性[J];節(jié)能技術(shù);2009年01期

4 焦利芳;李鳳臣;蘇文濤;楊治金;魏進(jìn)家;宇波;王屹;;表面活性劑減阻劑在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用試驗(yàn)研究[J];節(jié)能技術(shù);2008年03期

5 董正方;顧衛(wèi)國;張紅霞;王德忠;;表面活性劑減阻流體傳熱與阻力關(guān)系試驗(yàn)研究[J];水動力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯);2006年04期

6 王德忠,胡友情,王松平,孫杉;低濃度表面活性劑減阻流體的性能[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2005年02期

7 周靜瑜 ,王德忠 ,馬偉駿 ,胡仰耆 ,任兵;集中空調(diào)水系統(tǒng)減阻流體性能研究[J];暖通空調(diào);2004年07期

8 崔桂香,周海兵,張兆順,L.Shao;新型大渦數(shù)值模擬亞格子模型及應(yīng)用[J];計(jì)算物理;2004年03期

9 王德忠,胡友情,王松平,周榮生;表面活性劑減阻流體湍流空間結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[J];熱能動力工程;2004年02期

10 李兆敏,劉成文,王淵;粘彈性流體管流紊流特性的實(shí)驗(yàn)研究[J];鉆井液與完井液;2000年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 王璐;粘彈性流體湍流減阻流動大渦數(shù)值模擬研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 陽倦成;粘彈性流體基納米流體湍流流動與換熱特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

3 蔡偉華;粘彈性流體各向同性湍流特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 王悅;聚合物水溶液雙振蕩網(wǎng)格湍流實(shí)驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

2 王璐;粘彈性流體強(qiáng)迫各向同性湍流大渦數(shù)值模擬研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

本文編號：2793085