粘彈性流體Taylor-Couette流動不穩(wěn)定現(xiàn)象研究.pdf

1、流動不穩(wěn)定性問題一直以來都是流體力學研究的中心問題。Taylor-Couette（T-C）流動裝置以其結構簡單、存在封閉流動系統(tǒng)并能產(chǎn)生豐富的不穩(wěn)定流態(tài)等優(yōu)點，成為實驗和理論研究不穩(wěn)定現(xiàn)象及流動轉捩的經(jīng)典裝置。
　　本文以 T-C流動為基礎，從實驗和數(shù)值模擬兩個方面來研究牛頓流體和粘彈性表面活性劑（十六烷基三甲基氯化銨，簡稱 CTAC）水溶液所產(chǎn)生的慣性和彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象，以得到產(chǎn)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的臨界參數(shù)以及從層流到湍流轉變過程中

2、的各種不穩(wěn)定流動形態(tài)，并分析產(chǎn)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的機理。
　　在實驗方面，首先自行設計了符合實驗要求的兩種不同內外徑比的T-C流動實驗臺，并以這一實驗臺為基礎，對牛頓流體（蒸餾水）、50ppm CTAC水溶液、200ppm CTAC水溶液和1000ppm CTAC水溶液分別應用高速攝像機進行大量流動可視化的實驗研究。對于蒸餾水而言，得到了其在 T-C流動中慣性誘導不穩(wěn)定現(xiàn)象的臨界Re數(shù)、不同Re數(shù)下的不穩(wěn)定流態(tài)圖以及處于不穩(wěn)定狀態(tài)時

3、T-C流動中Taylor渦的波長和Re數(shù)及內外徑比的關系；對于不同濃度的CTAC水溶液而言，得到了其在 T-C流動中產(chǎn)生的由彈性誘發(fā)的不穩(wěn)定現(xiàn)象的臨界Wi數(shù)以及變Wi數(shù)或不變Wi數(shù)時的流態(tài)變化時序圖。
　　在數(shù)值模擬方面，通過編程對添加彈性應力的二維柱坐標系下的Navier-Stokes方程進行直接求解，采用較為優(yōu)越的Kurganov-Tadmor格式對描述粘彈性流體彈性應力和變形的本構方程中的對流項進行求解，解決了對流項容易發(fā)散

4、的問題，并應用多重網(wǎng)格提高了數(shù)值模擬的計算速度。對實驗中的蒸餾水和1000ppm CTAC水溶液進行了流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的直接數(shù)值模擬（DNS）研究，得到了產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象時的速度場和壓力場以及實驗測量中無法得到的粘彈性流體變形場在整個流場中的分布情況，從定量上研究了慣性和彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象。DNS的結果與實驗相應工況結果基本一致，這充分說明了實驗和數(shù)值模擬的結果是可信的。
　　最后，基于實驗和數(shù)值模擬的結果，分析了產(chǎn)生慣性不穩(wěn)定現(xiàn)象和彈性