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原文传递突扩管中高聚物溶液减阻性能及流动特性研究

论文题名：	突扩管中高聚物溶液减阻性能及流动特性研究
关键词：	管道输运;高分子聚合物;减阻性能;流动特性
摘要：	在当今节能减排与环保意识逐步增强的社会背景下，添加剂减阻技术受到更加广泛的关注。作为添加剂的一种，高分子聚合物可在管道输运系统中起到减阻增输的作用，在石化、暖通等领域具有广阔的应用前景。另外，高聚物溶液作为非牛顿流体，也广泛应用于食品、医药等领域。然而，目前对于高聚物减阻的研究大多集中于直管中，对于管道系统中的局部构件，如突扩管等，研究还比较有限。突扩管内的回流导致了流动局部阻力损失,加大了运输过程的能耗，研究高聚物溶液在突扩管内的流动，可进一步提升对于减阻机理与流场特性的了解，在理论研究与工程应用方面具有重要价值。　　本文首先对国内外添加剂溶液的流动减阻研究进行梳理归纳，根据高聚物溶液的特性,选择Cross模型描述其剪切稀化性，选择FENE-P模型描述溶液的黏弹性。其次，将黏弹性本构方程FENE-P模型的张量形式进行笛卡尔坐标系展开，详述通过UDF宏与函数进行编译的方法，进行CFD软件的二次开发，实现与动量方程的耦合。最后，针对突扩管几何模型，进行网格划分、边界条件设置与计算模型验证，实现高聚物溶液的湍流减阻与层流流动的数值模拟计算，揭示高聚物的减阻性能和机理，探究不同流态的流动特性。　　基于剪切稀化Cross模型，进行纯水与不同浓度高聚物PAM溶液在突扩比为1.5与1.8圆管突扩的湍流流动模拟，分析减阻性能和影响因素，研究速度分布、压力分布、回流区长度、湍动能分布等流场特性，并通过Q准则涡识别技术，分析涡量分布，探究减阻机理。研究发现:（1）上、下游直管段中，减阻率随雷诺数的增大，呈现先增加而后减小的趋势,在本文的浓度研究范围内，减阻率随浓度的增加而增大，随管径的扩大而减小。（2）突扩段中，减阻性能相对于直管段，呈现显著降低;减阻率随雷诺数、突扩比的增大而减小，随浓度的增加仅出现极小幅度提高。（3）相较于纯水，PAM溶液流经突扩面后，主流区速度的减小较为缓慢，恢复至充分发展流的距离增长;突扩面后的压力增长速度也出现减缓，压力恢复最大值的位置滞后。PAM的加入同时也抑制了湍动能的增大，促使突扩段的湍动能最大值减小，直管段近壁面的湍动能明显降低。（4）PAM溶液中，回流区受分子链运动的影响，长度相对纯水增大;此外，随雷诺数增加，回流区长度呈现先增大后稳定的变化趋势，并随突扩比的增加而增大。（5）PAM分子链结构对突扩处的涡量产生影响,促使涡量分布沿轴向增加而沿径向减小，并造成最大涡量值的降低，这是突扩段产生减阻的首要原因。　　基于FENE-P黏弹性模型，对突扩比为2.4与4的二维突扩中纯水与高聚物溶液层流流动进行模拟，探究速度、压力、回流区等流动特性的变化，分析黏弹性流体流变参数对各阶段回流区的影响及变化规律。结果表明:（1）突扩面后的流动随雷诺数增大表现为三种发展阶段，即对称流动、存在两处回流区与三处回流区的不对称流动;突扩比的减小与高聚物的添加，使得阶段发生转变的两处临界雷诺数增大。（2）随流动发展阶段的演变，突扩面下游流动受回流区影响，速度波动更加明显，达到充分发展流动所需的距离增长。（3）高聚物溶液在管内的压降高于纯水，说明在层流流动中未表现出减阻效果。（4）不同流变参数对三个发展阶段回流区的影响存在差异，随着分子拉伸长度的增加与黏度比的减少，发展阶段Ⅰ的回流区缩短，发展阶段Ⅱ、Ⅲ的不对称性降低，第三回流区长度减小，并且流动可恢复至上一发展阶段;随着魏森伯格数的增加，发展阶段Ⅰ中回流区长度先减小后趋于稳定，发展阶段Ⅱ、Ⅲ的不对称性则先降低而后增强，第三回流区长度同样呈现先减小后增大的变化趋势。
作者：	石若冉
专业：	供热、供燃气、通风及空调工程
导师：	张浩
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2023