粘弹性流体和纳米流体的流动与传热研究

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现如今能源短缺、资源浪费问题日益严重,尤其在工业领域,流体的运输以及对流换热都会耗费大量的能量,因此流体的减阻技术以及增强对流换热技术的研究迫在眉睫。其中粘弹性流体可以起到减阻的作用,而纳米流体能够增强对流换热,所以本文从这两种流体着手,通过ANSYS FLUENT软件分别研究粘弹性流体、纳米流体以及将两者结合在一起的粘弹性流体基Cu纳米流体在不同模型下的流动和换热情况。首先研究粘弹性流体在二维等腰梯形腔体内上下壁面反向驱动情况下流体的流动情况,本文均采用忽略剪切稀化的Oldroyd-B模型,并通过UDF对Oldroyd-B粘弹性流体的控制方程进行C语言的编程并导入到ANSYS FLUENT中与N-S方程进行耦合求解。通过数值模拟的方法研究雷诺数(Re)、魏森贝格数(Wi)、溶剂粘度比(β)对流体流动的影响,模拟发现,Re≤400时,牛顿流体和粘弹性流体在二维等腰梯形腔体内的变化趋势基本一致。而对于粘弹性流体工况,随着β的不断增加,涡心逐渐向左侧移动,且分速度v/U的峰值变大,当Wi增大到0.04时,由于弹性增加到一定程度,等腰梯形腔体的右下角开始出现逆时针转动二次涡结构的情况,紧接着随着Wi的增加,逆时针转动二次涡结构的区域逐渐增大。而当Wi>0.8时,速度流线逐渐从单涡结构转化为多涡结构。其次通过ANSYS FLUENT软件进行数值模拟的方法研究Cu-机油纳米流体在二维直角梯形腔体内的对流换热情况,纳米流体选择单相模型,热物性保持不变,研究瑞利数(Ra)、低温壁面位置、底面倾角、纳米粒子体积分数以及热通量长度对二维直角梯形腔体内流体对流换热的影响。研究发现,低温壁面位于斜壁面的上半部分时,对流换热效果最好,同时发现在一定范围内二维直角梯形腔体底面倾角的改变比往基液中加入一定纳米粒子体积分数的Cu更能促进对流换热。最后将两种流体结合在一起,研究Re、β、Wi和纳米粒子体积分数对粘弹性流体基Cu纳米流体在圆形管道中稳态、层流状态下的流动及对流换热的影响,研究结果表明在层流状态下,粘弹性流体既不能起到减阻的作用,又抑制了流体的对流换热,而粘弹性流体基Cu纳米流体可以提高对流换热作用,但是相比于另外两种流体增阻明显,而Re的增大不仅可以降低摩擦阻力系数,而且可以促进对流换热,但是换热率降低;β、Wi的数值对换热没有影响,随着β、Wi的增加,减阻率基本稳定在-16.7%,并未起到减阻的作用。
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