哈工大李凤臣-粘弹性非牛顿流体动力学及其应用

1粘弹性非牛顿流体动力学及其应用李凤臣（工学博士，教授）哈尔滨工业大学/能源科学与工程学院SchoolofEnergyScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnologyViscoelasticfluidnon-NewtonianfluiddynamicsanditsapplicationsFeng-ChenLi(Ph.D.,Professor)哈尔滨工业大学/能源科学与工程学院2008年工程热物理暑期班2李凤臣(LIFeng-Chen)Email:[e-mail]1989.9---1993.7天津大学・热能工程系・工程热物理专业工学学士1993.9---1996.7中国原子能科学研究院・反应堆工程安全研究设计所工学硕士1998.4---2001.3(日本)京都大学・工学研究科・原子核工学専攻（核能工程系）工学博士2001.4---2002.3海上技術安全研究所(日本)2002.4---2004.11産業技術総合研究所(日本)研究员（湍流控制）2004.11---2006.8(日本)東京大学・生産技術研究所日本学术振兴学会研究员（粘弹性流体&微流动）2006.8---至今哈尔滨工业大学/能源科学与工程学院教授/博士生导师2007入选教育部新世纪优秀人才支持计划所属学会：美国机械工程师学会(ASME)湍流控制中心CenterforSmartControlofTurbulence3内容提要‡认识粘弹性流体‡粘弹性流体动力学‡粘弹性流体在极端条件下的应用4‡认识粘弹性流体（1）•牛顿流体–甘油水溶液(60wt%)•粘弹性流体-CTAC水溶液(0.1wt%)5‡认识粘弹性流体（2）BarusEffect注射器注射器出口粘弹性流体6‡认识粘弹性流体（3）WessenbergEffect高速旋转圆柱体粘弹性流体7‡认识粘弹性流体（4）KayeEffect粘弹性流体流束粘弹性流体流束反弹8粘弹性流体流动的其它特殊现象(fromDynamicsofPolymericLiquids:Vol.1FluidMechanics,R.B.Bird,R.C.ArmstrongandO.Hassager)Shear-thinningNP‡认识粘弹性流体（5）9•Wherecanyoufindtheviscoelasticfluid?–Foodproducts(ketchup,mayonnaise,eggwhite,etc.)–Moltenplastic–Lubricantoil–Detergent–Biologicfluid(DNAsolution,cellfluid,etc.)–Ingeneral,polymerliquidsandsurfactantsolutionsshowthefeaturesofviscoelasticfluid.‡认识粘弹性流体（6）10‡粘弹性流体动力学¾粘弹性的产生及流变学特性¾描述粘弹性流体流动的动量方程¾描述粘弹性流体的本构方程11•FormationofRod-likemicelles•ShearInducedState(Structure),SIS•ViscoelasticityimpartedbySIS•Extensionalviscosityaswellasshearviscosity¾粘弹性的产生及流变学特性(1)12疏水极hydrophobic亲水极hydrophilic•Formationofrod-likemicellesZ.Linetal.J.Colloid&InterfaceSci.239,pp.543-554(2001)•Shear-inducedstateorstructure(SIS)¾粘弹性的产生及流变学特性(2)13•ViscoelasticityimpartedbySIS•ExtensionalviscosityaswellasshearviscosityFig.3Entanglednetworksandbranches(arrows)ofthread-likemicellesofArquadS-50(5mM)/NaSal(5mM)at20Cimagedbycryo-TEMFig.8ComparisonofapparentextensionalviscositytoshearviscosityratioforArquadS-50(5mM)/NaSal(5mM)andArquadS-50(5mM)/NaSal(12.5mM).Z.Linetal.J.Non-NewtonianFluidMech.93,pp.363-373(2000)¾粘弹性的产生及流变学特性(3)14l/1l/1)(12ttel−=εxyzElongationalflow0εεεηττ)(−=−xxzzElongation-ratedependentviscosity•Viscoelasticfluid:3=ηηForNewtonianfluid310~3=ηηForpolymer/surfactantsolution(viscoelasticfluid)Firstnormalstressdifference¾粘弹性的产生及流变学特性(4)Extensionalviscosity（拉伸粘性）15•Effectofelasticity–Apparentviscosityoffluidisdependentonshearrate.ShearstressShearrate(velocitygradient)–ViscosityofNewtonianfluidisconstant.–But,apparentviscosityofviscoelasticfluidisnotuniformanddependentonflowfield.¾粘弹性的产生及流变学特性(5)16•Shear-dependentviscosity(DynamicsofPolymerLiquids,1987)Polymerliquids(moltenplastic)ViscosityShearrateTemperature¾粘弹性的产生及流变学特性(6)17¾粘弹性的产生及流变学特性(7)•Relaxationtime（松弛时间）τλ1t牛顿流体粘弹性流体τλ1t牛顿流体粘弹性流体t01Eηλ=18¾描述粘弹性流体流动的动量方程（1）Non-linearterm,dependingonWeinsteadofRe,InduceselasticturbulenceathighWeNon-linearterm,inducesturbulentflowathighReEquationofmotion:¾Newtonianfluid:¾Non-Newtonianfluid:Φ∇−⋅−∇=τρDtDvγµτ−=yxyxγγητ)(−=ConstantviscosityShear-ratedependentviscosityEquationofmotion:¾Newtonianfluid:¾Non-Newtonianfluid:Φ∇−⋅−∇=τρDtDvγµτ−=yxyxγγητ)(−=ConstantviscosityShear-ratedependentviscosity19•描述粘弹性流体流动的无因次量µρDU⋅⋅=Re雷诺数(Reynoldsnumber)DU⋅==λτλWe韦森贝格数(Weissenbergnumber)¾描述粘弹性流体流动的动量方程（2）20•What’sthe“viscoelasticfluid”?–Akindofnon-Newtonianfluid–Itsharesfeaturesofboth“viscosity”and“elasticity”.Visco-elasticfluid“Elasticity”ViscoelasticfluidDamperSpring¾描述粘弹性流体的本构方程(1)“Viscosity”DamperViscousfluid(Newtonianfluid)21whereσisthestress,Eistheelasticmodulusofthematerial,andεisthestrainthatoccursunderthegivenstress¾描述粘弹性流体的本构方程(2)Kelvin-VoigtModelDefinitions:orσηγ=−MaxwellModeltσσληγ∂+=−∂ElasticcomponentViscouscomponentLinearViscoelsticFluid22¾描述粘弹性流体的本构方程(3)LinearViscoelasticFluidStandardLinearSolidModelGeneralizedMaxwellModel23¾描述粘弹性流体的本构方程(4)DefinitionszVelocitygradienttensor:zRate-of-straintensor:v∇()†vvγ=∇+∇NonlinearViscoelasticFluidzConvectedDerivativesoftheRate-of-StrainTensor:zConvectedDerivativesoftheStressTensor:()()()()()()(){}1†1nnnnDvvDtγγγγγγ+≡=−∇+∇ii()()(){}†1DvvDtττττ=−∇+∇ii24¾描述粘弹性流体的本构方程(5)NonlinearViscoelasticFluidzOldroyd’sfluidBmodel(Quasi-Linear):()()()()102112τλτηγλγ+=−+zGiesekusmodel:(){}1101spsspppppττττηγλτλταττηγη=+=−+−=−iMobilityfactorτλ1t牛顿流体粘弹性流体τλ1t牛顿流体粘弹性流体t0τλ1t牛顿流体粘弹性流体τλ1t牛顿流体粘弹性流体t0牛顿流体粘弹性流体τλ2tRetardationtimeRelaxationtime25‡粘弹性流体在极端条件下的应用Non-lineartermsReWe‹高雷诺数条件（对于牛顿流体处于湍流状态）‹极低雷诺数条件（对于牛顿流体处于绝对层流状态）26‹高雷诺数条件–湍流减阻效应•DiscoveryofTomsEffect(1949)1949年Toms发现在湍流水中添加少量高分子聚合物会使湍流阻力大大降低，这一现象后称为Toms效应伴随湍流减阻现象发生，对流换热系数也降低高分子聚合物水溶液减阻性能失效后不可恢复表面活性剂水溶液减阻性能暂时失效后可自动恢复27•粘弹性流体湍流减阻流动与换热H=40mm,W=500mm,L=10m实验装置实物28x-z面上的二维三分量速度场立体PIV测量x-y面测量inthex-yplaneFlowyzxGlasswindow(a)H2DChannelCCDCameraNd-YAGlaser7mFlowyzxzxGlasswindow(a)H2DChannelCCDCameraNd-YAGlaser7mx-y面上的二维分量速度场PIV测量y-z面上的二维三分量速度场立体PIV测量8200mm800mmflowHeatingsectionTCProbeMeasurementvolumeofLDVThermalboundarylayer2Dchannel40mmyxMeasurementpositionTwTTb8200mm800mmflowHeatingsectionTCProbeMeasurementvolumeofLDVThermalboundarylayer2Dchannel40mmyxMeasurementpositionTwTTb利用激光多普勒测速仪和微细热电偶（直径千分之一英寸）对加热边界层内湍流速度脉动与温度脉动同时测量(速度温度耦合信号)实验