南京理工大学硕士学位论文非牛顿流体在环管中流动与换热特性的数值研究
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作者的签名：Kenjiao
关于环管中非牛顿流体的流量和热交换特征的数值研究
1简介
1.1主题的研究背景
在工业生产和自然界中，有许多剪切应力和剪切速率没有线性关系。
流体，称为非牛顿液[11。人体中的各种体液，例如血液，淋巴液，囊肿液等，以及细胞肿块
这样的“半流体”是非牛顿液。近几十年来，非牛顿流体研究已迅速进行
主要驱动力之一是聚合物行业的发展。聚乙烯，聚酯，橡胶溶液，各种工程塑料，化学纤维
熔体，溶液等是非牛顿液。
在日常生活和工业生产中通常遇到的各种聚合物溶液，融化，糊状，凝胶和交联系统。
复杂特性（例如悬架系统）的流体几乎是非牛顿流体。番茄汁，食品行业的淀粉液体，
面团，各种面包屑的食物等也是非牛顿液。有时出于工业生产目的，以某种牛
在钨液中，需要添加一些聚合物，这可以改善其性能，同时将其变成非牛顿液体，例如
用来增加石油产量的破裂液开元棋官方正版下载，新润滑剂等。关于这些行业发展的非牛顿流体的研究
它具有很大的实际意义。
目前，在国内外研究非牛顿液的问题较少。实验方法需要很长时间且昂贵
它很昂贵；而且由于非牛顿流体的控制方程的严重非线性，理论分析方法通常无能为力。
随着计算机技术的快速发展，数值计算方法已经迅速发展，并且收到了越来越广泛的响应。
使用。数值解决方案的本质是将连续过程分离，并用一系列代数方程代替微分方程。
通过应用此系列代数方程的四个操作获得变量的近似数值解。
在过去的几十年中，已经开发了多种数值解决方案，它们之间的主要区别是区域的离散性
方法，方程式的离散方法和求解代数方程的方法。流量和传热计算中最广泛使用的是
有限差法，有限元法，有限体积方法。目前，有限的差异和有限体积方法是最常用的
广泛的离散方法。各种流是使用结构化网格有限差法和有限体积方法的数值模拟的
传热问题已经非常成熟。但是，在解决复杂区域时，结构化网状非常大
限制。自1980年代以来的过去20年中，由于对不规则地区的适应性良好，
很容易意识到自动网格产生的特征，非结构化的网格在计算流体力学和计算传热的领域。
131实现了快速发展。
环形管中非牛顿流体的完全发育。无论是同心还是部分，行业
它占用非常重要的位置，例如在热交换器，挤出井以及天然油和天然气钻孔中的应用。然而，
大多数有关此类问题的文献都有一定的局限性，并且幂律流体的局限性特别大，主要是
提供分析和计算方法或更少的结果。
由于该地区和不同边界条件的不对称性以及非牛顿流体本身的特性，它们会严重影响
关于环管中非牛顿流体的流量和重新煮熟特征的数值研究
速度和温度分布。因此，与同心环管中牛顿流体的流动相比，非牛顿流体在偏心的环管中。
过程中的流量和热交换特性非常不同，这会影响产品质量和流动过程
卡路里减少了。因此，流量和热交换的确切结果可以为实用应用中的相关设计带来某些结果
指导意义。
1.2国内外研究状况
在许多工业生产和应用科学领域中使用的非牛顿流体力学理论也涉及
许多材料的特性，加工和输送[21]。例如污泥和管道运输的流动性，新鲜的水泥浆，混合
混凝土管道运输，减少聚合物阻力，用于改善石油生产的破裂液，新润滑剂等[71]
牛顿流体在圆形管和圆形管中的流量和传热特征的研究非常成熟。和非牛
液体相对较少。但是，在行业中，大量的流体表现出非牛顿属性，非牛顿流动
该系统与国民经济密切相关。无论是国外还是国内，非牛顿流体机制和流体通信
研究和应用已显示出越来越多的兴趣。
Pieben YF4J等。是偏心环管中牛顿液体最早的研究人员之一。他使用了相同的横截面装备
基于扭矩理论，提出了用于完全发育的层流速度场和摩擦系数的分析溶液。全面发展
偏心环中的流动基于空心轴扭矩的精确溶液，并给出RO的值。
Snyder和GoldStcin【6】使用双子坐标系用于给出不同半径和偏心的速度分布和壁
表面剪切力和摩擦速率的分析。对于同样的问题，trombettais]通过了离散最小正方形的方法
获得速度分布总和，RE值。 NEDTPM]还为牛顿液提供了一些研究结果。最近，Manglik
和P. ｆang 271对偏心率对流及其伴随壁剪切力分布的影响进行了深入计算
在研究中，结果表明，偏心率对环形圆管中的速度分布和流动有很大影响，即使
内心中心的少量偏心率也将对流动布局产生很大的影响，并且通过狭缝区域的流动将非常高。
大幅减少。这种现象可用于从Escudier和Gouldsont12到环形管。 = 0.506速度
从通过测量获得的实验报告可以看出。
一些学者研究了牛顿流体在同心环或偏心环中的强制对流热交换特性。例如，
lundbergetalt24]在同心环管中不同的热边界条件下，在不同的热边界条件下提供了数量的全层流量。
CBENG和HWAN912考虑轴向恒温热流和圆周恒定壁温的边界条件。 Suzukinal [26]给出
在偏心环管中恒定壁温度的边界条件下的一些结果。 。 ｍ． ｍanglik和p：ｆ光 ｆ光 ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０
边界条件对流体对流热交换的影响。
但是，无论是同心环还是偏心的环，关于具有粘性特性的非牛顿流体的研究文献非常好
很少。 Fredrickson和Bird113可能是最早进入Bingham塑料液和同心环管中的功率速率流体
进行研究的学者。 Tuuc和Megiven” J提出了基于个人和其他人的实验数据的相关性。
几何形状方程可以计算摩擦速率，但仅适用于较小的范围半径比（O.417 ＜o.508）
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关于环管中非牛顿流体的流量和热交换特征的数值研究
同心环管中的剪切厚的层流流。 Eseudier116]也给了。剪切在同心环= 0.506中的剪切薄
熔融流体的速度分布和植物值。
对于偏心环中的剪切稀薄流体和宾汉流体的轴向流，Guekesll71给出了溶液
平均体积流量的有限差方法，并以图形形式产生=O。1，O。3，0.5，0S矿石≤0.8，
0.4≤therapeicInk L的平均体积流量（一个是半径比，考虑到偏心率，行为流量指数）。 ｕner
etaltl
大，。该环使用剪切薄的近似方法来给出伪塑料和宾厄姆流体的近似轴向速度。
程度和平均体积流量。 Walton和Bittleston [T9]使用扰动方法找到大r。环的狭窄区域
分析解决方案。 Szabo和HSJ被认为使用有限体积方法可以解决相同的问题。 ｍｉｔｓｕｉｓｈｉ和
Aoyagil211提供了实验和分析解决方案，用于在偏心环管中sutterby流体的层流完全发展。 ｐ．
271研究完整发育的剪切稀薄流体和结构化网格中偏心环管中的剪切增厚流
身体的流动特征。
关于偏心管中非牛顿液的传热特性的研究很少，一些学者给出了以下有关非尼南顿液体的问题
关于凹槽液的研究结果很少，其中，关于幂律流体的研究相对较少，这些研究仅限于某些分析。
结果或分析方法。田中和三菱28]在内壁的恒温下研究了同心管中的功率定律
流体充分发展了层流的强迫热交换。 Capobianehi和Irvine [221考虑同心环中的幂律流体
在外环壁的热隔离，内环壁的轴向恒温热流和圆周恒定温度下，考虑了外环壁的传热特性。
动态指数为O。流体数量在5到1.5之间。一般而言，剪切稀疏的液体在剪切应力下，
摩擦因子降低，壁的温度梯度和nusher数量增加了圆圈。剪切增厚流体显示了相位
反向的热液压特性。但是，在非圆管中，不规则的横截面形状具有强制对流行为。
它有很大的影响。在实际应用中，温度分布，Nusher的数量等是相关的处理设备
非常重要。存在横截面几何形状，偏心率和半径比，幂律流体的特征和侧面震动条件都是
这将极大地影响处理结果。
关于非牛顿液的国内研究相对较少。 Huang Shanbo，Li Zhaomin 1291使用非牛顿流体的动量方程，
能量方程式和幂律流体的组成方程组合在一起，以在充分发育中建立功率法流量和热量交换。
对流传热方程系统由对流传热系统控制，并在恒定热流和恒定壁温度的边界条件下进行分析和计算方程。
在两个不同的边界条件下，温度分布和无量纲的对流传热系数表达式得到了。
Wang Yanhui 13d]基于偏心环流流量的层流方程与非牛顿流体之间的构成关系，分析了流动
状态转换的临界条件和局部湍流的发展过程以及湍流方程是使用PrandTL边界层理论建立的。
及时流动均衡方程。
Liu Mingxin等。转换偏微分方程系统，描述了不可压缩的幂律流体的二维流动以形成流动
函数是涡度方程的系统，可减少未知数量的数量。在微分方程系统的差异化离散过程中，
使用不确定和常见的解决方案来解决固定和常见问题，采用对流术语的样式，使用三个花链来解决速度场，使用自我指导
动态参数超级松弛迭代求解流函数场。
Tan Jun等人。 [32]使用Nezhou∞。 Raphs Gamma在等温触点非Newtonian身体圆模型上执行了弹性流量计
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关于环管中非牛顿流体的流量和热交换特征的数值研究
计算。讨论了负载，滑动比和其他因素对压力分布，油膜形状和剪切应力的影响：比较了牛顿
身体和非牛顿身体模型的计算结果导致两者的适用条件。 ，，，，
但是，无论是同心还是偏心的环，粘性非牛顿流体的研究尤其是数量
关于价值模拟的文献仍然很少。在实际应用中，流速分布是由不同的循环区域引起的。
流动特性的变化，管墙中的剪切应力分布以及温度分布都具有相关工程设备的设计。
一个很大的影响。偏心环的偏心率和半径比的差异也影响了产品加工的结果。这
在某些方面，国内外的研究也很少。由于非结构化网格结构本身的复杂性，离散频段被给予方程式
有更多的困难，因此开元ky888棋牌官网版，关于非结构网格中非牛顿流体的性质的研究很少。
1.3该主题的提议和意义
许多流体在管道的流动设备中表现出粘性和非牛顿行为。这些流
剪切应力与剪切速率的比率是非线性的，具体取决于其特殊的化学特性。流体的出现
如果在对数坐标上绘制了粘度的变化曲线，则大量实验数据将证明此曲线基本上是
上面有一条直线，因此明显的粘度函数在功率定律的形式[71]中，因此这种非牛顿流体也称为功率定律流量
身体。此外，在许多工业生产过程中，流体的流量和传热可以通过物理模型充分发展。
让我们描述一下。
这些完全开发的非牛顿流体在管道中的流动，无论是在制备过程中还是成为产品
转化阶段不可避免地伴随着热交换。两管热交换器和圆柱挤出机是两个典型的例子。
由于处理错误，操作服务的变形或故意满足，还有天然气井，油井等
设计需求（例如，在某些挤出机和钻孔中）可能会引起一定的同心环管的偏心率
一个例子是石油的运输，这导致高粘度由于高粘度和低粘度环之间的容量差而浮动。
心。由于该地区的不对称性和非牛顿流体的性质，速度和温度分布受到了严重影响。
力特性和热力学特征也将与牛顿流体大不相同，牛顿流体将相应地影响产品的质量和流动。
动态过程（尤其是在食品加工和聚合过程中）的卡路里减少。因此，精确的流量和热量交换
结果可以帮助实用应用中的相关设计。
由于非牛顿流体的非牛顿特征和控制方程的非线性，分析溶液繁琐且复杂。正确
为了应对某些复杂和特殊的情况，分析解决方案通常是无能为力的。甚至半分析近似方法也只能是
在个人问题中获得的应用有限。可以广泛使用各种数值方法。国内外许多学者
这是美国辛辛那提大学的Man-Man和N1教授和Fang博士和Fang博士的研究。
本文的主要问题是：
1。研究非牛顿流体（功率法流体）轴向层流的流量和热交换特征
性别。有限体积方法分别用于分别在结构和非结构化网格中分离动量方程和能量方程，并计算了该值。
解决速度场和温度场的解决方案。模拟流量和传热的基本特征。
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关于环管中非牛顿流体的流量和热交换特征的数值研究
2。研究非牛顿流体（幂律流体）的轴向层流流动的流动
动态和热交换特征。分别使用有限差/体积方法分别在结构和非结构化网格中的离散动量方程
能量方程，速度场和温度场的数值解决方案。考虑不同的流量指数，不同的热边界条件，环
在环形半径比（0.2Sr.≤0.8）和偏心率（O≤0.0.6）中研究了管偏心率和半径比的影响
考虑到流动和热交换的复杂流动区域之间的情况。
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南京科技大学的硕士论文
关于环管中非牛顿流体的流量和热交换特征的数值研究
2非牛顿液的概述
2.1非牛顿液的基本概念
牛顿提出了1687年的假设：当流体流动时，其剪切应力与剪切应变速度成正比。
在平行流中，牛顿的液体摩擦法可以表示为：
f =在：∥＿du（2.1.1）
72∥2∥FACE
（2 ・ ・1）
其中，F是作用在流体平面上的剪切应力，即剪切应变速度，也称为剪切应变速率，即D“/dy，
∥是粘度系数，它在一定温度和压力下是一个常数。等式（2.1.1）称为牛顿正常粘度定律，
也就是说，牛顿流体的定义公式。
Stokes在1845年根据该定律的应变率张量的线性函数，
静态时流体各向同性的三个假设和流体的应变速率，从而得出了流体力学的广泛应用
研究了线性本构方程，以及现在广泛使用的Navi-Stokes方程。
随着生产，科学和技术的发展，在工业生产过程和自然界中，有很多不服从。
牛顿的正常粘度法律对于这种流体，剪切应力与剪切应变速率之间的线性不再令人满意。
关系，在压力的作用下，它将不断改变其运动状态，其构型关系与牛顿的正常粘度定律有关。
显着差异。因此，满足剪切应力和剪切应变率之间线性关系的流体称为牛顿流体，例如
低分子量流体（例如水和空气）被称为不满足线性关系的流体。典型的
非牛顿液是聚合物溶液和聚合物熔体。
近几十年来，促使非牛顿流体研究快速发展的主要驱动力之一是聚合物行业的发展。
展览。聚乙烯，聚丙烯酰胺，聚氯乙烯，赛璐oid，聚酯，橡胶溶液，各种工程塑料，化学物质
纤维的融化，溶液等是非牛顿液。流变学和现代数学的研究结合了
进一步发展F21。各种类型的泥浆，悬浮液，油漆，颜料，工业油脂等。在化学工业中，硅
酸盐行业的各种烧结块是非牛顿液。非牛顿液在食品行业也很常见。
例如番茄汁，淀粉液体，蛋清，苹果浆，酱油，果酱，冷凝牛奶，琼脂，融化的巧克力，面团，面团，
各种面包屑的食物材料。
在现代流体力学的新分支中，生物流体力学占据了重要的位置。生物液，例如人体
关节腔，淋巴液，细胞液，脑脊液和支气管内分泌液中的血液和滑液
所有这些都具有非牛顿液的特性。现在去医院进行血液检查的物品之一不再称为“血液”。
粘度测试，但“血液生物学测试”（称为血液流变性），因为对于血液，剪切
力和剪切应变率之间不再有线性关系，不再只能给出一个斜率（即粘度）来说明血液。
机械性能。
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关于环管中非牛顿流体的流量和热交换特征的数值研究
在地球物理中。关于地幔热对流的研究，地幔模型也可以视为非牛顿流体。
模型。实验证明，黄河的原油和高砂水流具有非牛顿特性。
总而言之开yunapp体育官网入口下载手机版，在日常生活和工业生产中，经常会遇到各种聚合物解决方案和融化。
复杂特性的流体，例如糊，凝胶，交联系统，悬架系统等几乎是非牛顿流体。仅有的
牛顿流体仅在某些条件下存在。例如，在标准条件下，水和空气是牛顿流体。有时候上班
工业生产的目的是，在某些牛顿液中，需要添加一些聚合物，这将提高其性能，同时也可以改变。
成为一种非牛顿液，例如用于增加石油产量，新润滑剂等的破裂液。
2.2非牛顿流体的分类
牛顿流体的剪切应力和应变速度是线性相关的，并且在简单的剪切流中有公式（2.2.1）。数字
2.1.1表示剪切应力F与牛顿流体的应变速度之间的关系。图上的曲线称为流曲线。牛顿流
身体的流曲线是通过坐标来源的直线，其斜率是牛顿液的粘度，即
∥：; = Peikou（2.2.1）
y
图2.2，2显示了牛顿流体的正常粘度特征。
f
图2.2.1牛顿流体流程图
，，，，
对于非牛顿流体，它也可以类似于牛顿流体，剪切应力和应变速度的比率定义为非BAO
DUN流体（表观粘度）或粘度函数（粘度）的明显粘度是首先改变流体的粘度。根据简单
剪切流中非牛顿流体的粘度功能是否与剪切持续问题有关，非牛顿液可以分为两个
班级：非时代非牛顿流体和时间过分的非牛顿流体。
（1）非时期非牛顿液
这种类型的流体的剪切应力仅与剪切变形速度有关，即粘度函数仅与应变速度（或剪切应力）有关
相关，而不是时间。 。
/t。 ＝∥（yin）（2.2.2）
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关于环管中非牛顿流体的流量和热交换特征的数值研究
其中，它被认为是明显的粘度或粘度的函数。非时期性交非牛顿液主要包括：
（a）剪切稀释液，也称为假性塑料液
（b）剪切增厚流体，也称为膨胀流体
（c）宾厄姆流体，也称为塑料液
这三个典型流体的流动曲线和粘度曲线如图2.2.3和图2.2.4：
f
图2.2.2
1。牛顿液； 2。剪切稀释液； 3。剪切增厚液； 4。宾厄姆液
剪切稀释液和剪切增厚流体共同称为幂律流体，广泛用于行业。本文将重点关注
讨论。
（2）时间取代非牛顿液
这种流体的粘度函数不仅与应变速度有关，而且与剪切持续时间有关。大致分裂
这是第二类：
（a）触变和地震液
在一定的剪切变形速度下，触变流体的粘度功能随时间降低，而地震液为
相反，如图2.2.5所示，明显的粘度随时间增加。
（b）弹性流体
粘弹性流体是具有粘性和弹性的流体。与粘性流体的主要区别在于，它们是在消除外力后产生的。
