弯管内黏弹性流体流动特性的数值模拟

论文摘要

在湍流中加入适量的减阻添加剂,可以有效地降低摩擦阻力,这就是添加剂湍流减阻技术。自从1948年的第一届国际流变学会议上,Toms指出高分子聚合物的湍流减阻增输现象以来,国内外的学者对高分子聚合物和表面活性剂两种减阻添加剂做了广泛的实验,并在数值模拟方面进行了深入拓展,得到了许多关于减阻现象以及减阻机理的重要理论成果。对减阻机理的研究,目前黏弹性假说得到了相当一部分人的支持。然而,由于黏弹性流体减阻过程较为复杂,在今后一段时间内,仍需要做大量工作对其研究探讨。本论文以黏弹性流体为研究对象,推导FENE-P黏弹性模型的控制方程组,根据方程编写C程序。利用GAMBIT前处理软件构建弯管几何模型,并划分网格,然后导入到FLUENT中,通过自定义函数功能加载C程序,进行计算。利用网格无关性验证、减阻范围验证及和文献规律对比验证等方式检验得出计算案例和模型具有较高的可靠性。然后对不同工况下的减阻过程做了分析,并和水做了对比研究。介绍了FENE-P黏弹性模型的建立过程。黏弹性流体是流体中物性最为复杂的一类,FENE-P模型可以较好的对其描述。通过对相关公式的推导,得到了FENE-P模型的控制方程组和笛卡尔坐标系下的矢量分量展开式。对FLUENT软件的求解流程、自定义函数功能和C程序的编写方法做了说明。在仿真软件中进行了案例的模拟计算。根据文献中L型补偿器的尺寸,采用GAMBIT软件构建90°弯管物理模型,并划分了质量较高的古钱币形网格。将网格模型导入到FLUENT中,调用编译自定义函数功能加载FENE-P黏弹性模型的程序,设定相关参数,包括湍流模型、边界条件、流体材料、离散方法等。观察网格尺寸不同对计算结果的影响,考虑计算机的运行效率,比选最佳网格。根据黏弹性流体和水的摩擦系数渐近线公式,检查了数值计算的可靠性。将计算案例表现出的减阻规律和前人研究对比,进一步验证了对黏弹性流体的模拟效果较好。通过分析弯管中三种黏弹性流体和水在不同Re下的计算案例,得到了减阻率、压力参数、流速参数及湍动能的径向和轴向的变化规律。结果表明:人工黏性项系数和Re之间存在一次线性关系,流体浓度越大,曲线斜率越高;黏弹性流体在临界雷诺数和临界浓度处可取得最佳减阻效果;弯曲部分的减阻率较小且出现波动;除弯曲部分外,黏弹性流体和水的壁面压力系数沿管道轴向方向不断降低且水的降速更快,弯曲部分受离心力的影响,压力系数出现了内、外侧分离的现象,反映到静水压强分布上即为由外而内递减的径向梯度;弯曲部分使得远壁端的高流速区偏向弯管内侧,减阻率越高,黏弹性流体和水的流速分布差异化也越大,偏离程度也越大;弯管极角越大,二次流强度越大,在90°处达到最强;减阻率越高,湍动能越小,黏弹性流体对紊动的抑制也越强;湍动能对管道的影响主要在近壁端,但沿程向远壁端扩展。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李伯

导师: 张红霞

关键词: 黏弹性流体,弯管,减阻率,离心力

来源: 太原理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 太原理工大学

分类号: TV134

总页数: 74

文件大小: 2933K

下载量: 152

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