论文部分内容阅读
对于高分子湍流减阻机理,人们提出了多种不同的观点,有代表性的如粘性减阻机理,弹性减阻机理等。目前粘性减阻和弹性减阻依然是争论的主题之一。近来在壁面湍流减阻研究中,Lvov等人(PRL2004)提出了一种等效粘度理论。本文在此理论的基础上,通过理论推导,建立了一种线性等效粘度模型,由此模型与Navier-Sokes方程相结合描述高分子减阻流体,从粘性减阻的角度着手研究高分子减阻。
利用此等效粘度模型,分别用雷诺应力模型和大涡模拟对壁面湍流减阻进行数值计算,通过槽道中设置肋条破坏边界层,研究边界层对壁面湍流减阻的影响。首先,与基于高分子有限拉伸的非线性弹性哑铃模型的模拟结果的对比,校验了此等效粘度理论。通过对计算结果的分析,主要得出以下结论:
(1)线性等效粘性改变了槽道中的平均速度分布,增厚了弹性缓冲层,减小了雷诺应力,到了高减阻(或减阻极限)时速度分布接近Virk的最大减阻渐近线,趋近于层流的速度分布。
(2)通过对湍流应力的分析,得出此线性粘性改变了应力平衡关系,减小了雷诺应力占总剪切应力的比重,增大了粘性剪切应力。虽然粘性耗散有所增加,但同时也增强了流动的稳定性。
(3)对湍流强度进行分析,发现此线性等效粘性可以表现出低减阻流体的基本特性,而高减阻流体可能要考虑弹性的影响,但在减阻中粘性应该起决定性作用。y向(垂直壁面方向)湍流强度直接影响减阻,而高分子y向伸长率Ryy与y向湍流强度息息相关,间接表明Ryy直接影响减阻,这就与前面提出的等效粘度理论基础相一致。
(4)线性等效粘性可以减少湍流猝发频率,高减阻流体湍流猝发现象基本消失,表现出层流的特性。低减阻时条带和涡结构间距有所增大,数量有所减少,同时条带产生、消失的区域向槽道中心偏移,但其结构并没有发生本质改变。高减阻时,近壁面处条带和涡结构间距明显增大,随着远离壁面条带基本消失,条带和涡结构已经发生本质改变。
(5)线性等效粘性可以影响和改变壁面湍流中条带结构和涡结构,从而减少湍流耗散,降低壁面摩擦阻力。当边界层被彻底破坏以后,原有的拟序结构瞬间被打乱,高分子与湍流拟序结构不能相互作用,减阻作用消失。所以形成稳定的边界层是高分子减阻的首要条件,边界层中的粘性底层和对数率层之间的缓冲层可能是减阻的主要影响区域。
等效粘度模型是从高分子湍流减阻现象中来,“纯理论”地理想化地描述壁面湍流减阻的模型,不以某具体减阻添加物为研究对象,从另一方面说明了该等效粘度模型在一定程度上反映了壁面湍流减阻的共性问题,从中得出普适的解释,加深对湍流减阻机理和湍流流动的认识。