扇形流道内Stokes流动特性的数值模拟-论文.pdf

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1、第29卷第1期沈阳化工大学学报Vo1．29No．12015．03JOURNALOFSHENYANGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYMar．2015文章编号：2095—2198(2015)01—0037—06扇形流道内Stokes流动特性的数值模拟王宗勇，赵家瑜，吴剑华，王舒婷(沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁沈阳110142)摘要：针对低雷诺数下外壁旋转的扇形截面流道内的流动特性进行数值模拟，得到不同扇形角度下的速度、涡量及流函数的分布规律．研究结果表明：在低雷诺数下扇形流道内的三维Stokes流可以分解为两个二维流动

2、，即压力降推动的轴向流及圆弧外壁旋转诱发的扇形腔内截面流；流道内的轴向速度和周向速度与扇形角平分线成对称分布关系，而径向速度成反对称关系；随着扇形角度的减小，流道内会出现多个涡流区域，各涡流区域内的速度场、涡量场及流函数均具有自相似性，说明外壁旋转的扇形流道内的流体具有混沌运动特征；雷诺数相同的情况下，流道内的涡量随着扇形角度的减小而增大，表明小角度扇形截面流道有利于流体的混合．关键词：Stokes流；螺旋流；低雷诺数；速度场；涡量场doi：10．3969／j．issn．2095—2198，2015．01．009中图分类号：TQ051．7文献标识码：

3、A螺旋流是一种特殊的、规则的涡旋运动，是场的精确解析解，该解对于流体流动的描述相对化学工程中广泛存在的一种流动现象．螺旋流被于以前的近似解更为准确，混合模式更加接近于广泛应用的原因是流体在螺旋流动过程中会形Kusch和Ottino的实验结果J．Mizuno和Funa—成垂直于主流方向的二次流或混沌流，能够起到koshi_4对PPM进行一般化处理，即相邻板的长强化流体混合或传热的作用．工程上形成螺旋流度比和夹角是可以变化的．他们对这种形式混合的方式主要有两种：一种是流体在螺旋或扭旋通器的流体混合进行了研究，结果表明：改变相邻道内整体围绕某一回转中心螺旋

4、流动，如螺旋盘板长度比和夹角可以使混沌区域占据整个流体管或Kenics型静态混合器内的流动；另一种是空间．后来他们又对一般形式的PPM的混沌混流体在压力推动向前流动的过程中由于外壁的合性质及效率进行了深入研究，发现流体单元被旋转作用而形成螺旋流，如分隔管混合器⋯分隔板前缘分开后的拉伸非常有助于流体混(partitionedpipemixer)内流体的流动．合．根据Mizuno和Funakoshi的结论可知：改分隔管混合器(PPM)是Khakhar等人提出变PPM的结构，特别是增加分隔板的数量能够的用于黏性流体混合的动态混合装置，该混合器显著提高PPM

5、混合器的混合效果．为此，本文提是广泛使用的Kenics混合器的原型．其结构是出了一种新型的PPM混合器，可将其表示为在长圆管内部插入一系列彼此垂直的平板，利用IPPM．这种混合器每个横截面上具有两块平板，圆管的旋转实现流体的混沌混合，如图1所示．两块平板可以相互垂直也可以是其它任意角度，Khakhar等利用近似的三维速度分量，研究与这两块平板构成一个混合单元，相邻混合单元相横截面流型相关的混合、停留时间分布及流线拉互错开90。，即前一混合单元两块平板夹角的平伸率．Meleshko等得到了PPM横截面内速度分线与下一混合单元对应夹角的平分线垂直，如收稿

6、日期：2013—12—02基金项目：辽宁省百千万人才工程项目(2013921047)；辽宁省高校优秀人才支持计划项目(LJQ2012036)作者简介：王宗勇(1973一)，男，辽宁辽阳人，副教授，博士，主要从事化工过程强化、非线性转子动力学等方面的研究38沈阳化工大学学报20l5年图2所示的影响规律．许多学者对于二维楔形域或环形域的Stokes流动特性进行了研究．Moffatt_】通过流函数证明了涡流在楔形角小于临界角时的存在性，得到了楔形内涡流的分布规律．Liu和Hills¨在Moffatt研究基础上，证明了涡流在圆弧形内的存在性，并绘制了流函数与

7、涡流的关图1PPM结构示意图系图．Krasnopolskaya进一步研究了楔形内涡流Fig．1SchematicviewofPPM的存在性，分析了二维Stokes流的流动特性，并用解析方法得到了楔形内涡流分布规律¨l7_．Galaktionov和Meleshko等利用无穷级数理论解析研究了半圆管内Stokes流动特性，获得了轴向速度封闭表达式．以上研究均是针对某一特定角度的扇形截面流道或楔形域的研究，针对不同角度的扇形截面图2IPPM结构示意图流道的流动特性的对比研究还鲜有报导．本文研Fig．2SchematicviewofIPPM究不同角度扇形流道

8、内的流体速度分布，以及扇IPPM将混合管分隔成4个扇形通道，流体形角度对流动特性的影响规律，为进一步研究在相