不同截面管道内非牛顿幂律流体的流动与传热研究
随着我国城市化进程的加快以及工业水平的不断提高，与此同时也带来了巨大的能源压力。因此，能源的利用、开发与节约能耗要求势必会不断的提高，工业设备将更加趋于节能、耐用。在石油、煤炭和动力工程中，多数流体都具有非牛顿流体特性，同时非牛顿流体还普遍存在于自然界和实际生产过程中。非牛顿流体理论在各方面的应用起到了非常重要的支撑作用，它涉及到众多材料的流动本质和流动特性。非牛顿流体的流动特性和能量传输机理是工业设备设计从业者所必须掌握的重要理论基础。对非牛顿幂律流体的流动与传热展开针对性研究对适应经济发展、降低能源消耗具有深远的意义，并在水利、化学、冶金、材料、能源、生物等工程领域具有非常大的实用价值和现实意义。 本文主要对不同截面管道内的非牛顿幂律流体流动与传热问题进行了一系列的研究。首先对非牛顿流体的数学模型和本文采用的物理模型进行了简单介绍，采用结构化网格对物理模型进行划分，并结合实验数据验证本文数值模拟方法的合理性。在基于理论分析的基础上，针对不同幂律指数的非牛顿流体在不同截面形状管道内的层流流动进行了直接数值模拟研究。在探讨速度场和温度场分布的基础上，进一步分析了管截面形状、幂律指数（n）、雷诺数（Re）、贝克利（Pe）数等多个参数对速度场、温度场、速度（温度）入口段长度、流动阻力以及对流换热强度的影响。结果表明，速度（温度）入口段长度、流体的流动阻力以及传热特性均与管截面形状、幂律指数、雷诺数、贝克利数等参数具有一定的相关性。本文对非牛顿幂律流体流动与传热问题的数值分析过程中，将数值模拟结果与前人的研究或经典公式进行了对比，在论证数值模拟方法正确性的同时，也验证了结果的可靠性。 与此同时，本文对非牛顿幂律流体在流经90°弯管时，流体的湍流局部阻力系数进行了研究，主要分析了弯管的弯径比、壁面粗糙度和雷诺数对局部阻力系数的影响；并对90°弯管中二次流的形成过程和影响因素进行探究，阐述了不同角度截面位置的二次流形成情况，还分析了不同的迪恩数对牛顿流体和非牛顿幂律流体二次流形成过程的影响。研究结果显示，迪恩数的大小对二次流的形成、迪恩涡涡核的中心位置、速度分布都存在着一定的影响。 本文所进行的理论分析和数值模拟研究，对非牛顿幂律流体的认识具有重要的指导意义，并且为深入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律和传热特性提供了理论参考。同时，探讨不同幂律指数的非牛顿流体在不同截面形状管道中的流动与传热相关问题具有极强的工程背景，因此本文的研究内容具有很好的应用前景。
截面管道;非牛顿幂律流体;流动阻力;传热特性
山东建筑大学
硕士
工程热物理
张浩
2017
中文
TK124;TB126
74
2018-01-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）