粘弹性流体微通道内弹性不稳定流动及其强化混合应用研究.pdf

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1、硕士学位论文粘弹性流体微通道内弹性不稳定流动及其强化混合应用研究STUDYONTHEELASTICUNSTABLEFLOWOFVISCOELASTICFLUIDINMICROCHANNELANDMIXINGENHANCEMENT黎永耀哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：O373学校代码：10213国际图书分类号：530密级：公开工学硕士学位论文粘弹性流体微通道内弹性不稳定流动及其强化混合应用研究硕士研究生：黎永耀导师：蔡伟华副教授申请学位：工学硕士学科：流体机械及工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学C

2、lassifiedIndex:：O373UDC：530DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTHEELASTICUNSTABLEFLOWOFVISCOELASTICFLUIDINMICROCHANNELANDMIXINGENHANCEMENTCandidate：LiYongyaoSupervisor：AssociateProf.CaiWeihuaAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：FluidMachineryandEngi

3、neeringAffiliation：SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要粘弹性流体是一种典型的非牛顿流体，相较于普通牛顿流体，除了粘性外，其独特地具备弹性效应。这种弹性作用使其具有如非零正应力差、额外的弹性非线性作用等特性。其中，弹性非线性作用在微尺度流动中更加显著并可能诱发弹性不稳定流动。粘弹性流体多孔介质孔隙通道内的流动是典型

4、的微尺度流动，这种流动广泛地存在于自然界以及工业生产中，如采油工程、生物工程和化工过滤等。粘弹性流体在多孔介质孔隙通道中可发生不稳定流动。前人采用理论、实验和数值模拟方法对这种流动进行过研究，但受限于实验方法和计算模拟手段，对其不稳定流动特性和机理的研究并不完善深入。同时，利用这种不稳定流动，可以设计简单的微通道实现流动高效混合，其在生物检测、化工合成、量子点生产等方面具有很好的应用潜力。因此，本文将对粘弹性流体二维均质多孔介质内流动开展数值模拟研究，基于其不稳定流动的认识设计一种简单的微通道芯片，实现混合强化，并对其流动混合开展可视化实验和数值模拟研究，

5、探讨粘弹性流体微通道内不稳定流动及其混合强化机理。首先，本文基于OpenFoam建立了微通道内粘弹性流体流动及混合数值模拟方法，对二维均质多孔介质孔隙通道内粘弹性流体流动进行直接数值模拟，并分别从瞬态和统计流动特性以及聚合物大分子产生的弹性应力对流动现象影响进行分析，结果发现，粘弹性流体随着韦森贝格数Wi的增大，其流态由层流转变成不稳定流动，并且该不稳定流动由弹性主导，弹性作用于流动中使得粘弹性流体在孔隙微通道内出现与惯性不稳定流动不同的行为。其次，本文基于粘弹性流体在二维均质多孔介质模型内弹性不稳定流动的现象，设计了一种简单的微通道，实现微通道内流动混合

6、强化。同时，结合荧光显微镜和高速相机建立了微通道内流动混合可视化实验系统，并基于该系统对设计的微通道进行流动混合可视化实验。结果表明相较于牛顿流体，粘弹性流体在低Re数下可产生不稳定流动，其混合效率较牛顿流体有显著的增长，最大可达86%。最后，为进一步理解这种不稳定流动及混合强化机理，对该通道内流体流动混合过程进行数值模拟研究。计算结果与实验非常吻合，结果表明，粘弹性流体在微通道内产生了不稳定流动，强烈的对流作用促使流体在流动中混合，实现混合强化，并从能量输运角度对弹性不稳定流动进行机理探究。关键词：粘弹性流体；微通道；多孔介质；弹性不稳定流动；混合强化哈

7、尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractViscoelasticfluidisatypicalnon-Newtonianfluid.ComparedwithNewtonianfluids,ithasauniqueelasticeffect,inadditiontoitsviscosity.Thiselasticitygivesituniquepropertiessuchasnon-zeropositivestressdifferenceandadditionalnon-lineareffects,whereelasticnon-lineareffect

8、saremorepronouncedinmicro-scalefl