非牛顿流体在管道中流动与传热特性研究文献综述
2020-04-15 05:04
非牛顿流体是流体力学上的概念，其与牛顿流体相对。它的应力与速度梯度的关系不满足牛顿粘性定律，即剪切应力与剪切速率之间不呈线性关系。非牛顿流体普遍存在于石油、煤炭、动力工程、食品生产、聚合物加工等工程领域，这些生产过程中都会涉及到非牛顿流体在管道内的流动与传热问题。所以非牛顿流体的流动与传热机理是相关工农业生产设备设计者必须研究的课题[1-2]。
相比牛顿流体在管道流动领域已较为成熟的研究成果，非牛顿流体的相关方面研究还有很大的发展空间。传统的理论分析法和实验法在被应用于非牛顿流体研究时，常遭遇无精确解与无稳定边界条件的困难；而因新兴的数值模拟计算方法能方便地获得微分方程组的近似数值解，其被广泛应用于非牛顿流体的研究中[2-3]。
国外学者对非牛顿流体的研究开始最早。在圆管道方面，Vradis等人基于适用于牛顿流体的流体力学方程，使用数值方法讨论了宾汉流体（非牛顿流体的一种分类）不同Re值时在圆管入口段的流动和换热特性[4]。Chebbi使用积分边界层方法，分析了幂律流体层流在圆管入口段与充分发展区的流动特性，获得了与实验数据吻合度较高的结果[5]。Baptista等人在恒定壁温、恒定热流量以及忽略粘性耗散影响的条件下，研究了幂律流体完全发展层流的温度分布，与Nu数的高精度数值解；并基于此对幂律指数和Nu数之间的关联关系进行了简化[6]。Mahmud等人给出了完全强制对流条件下，非牛顿流体在圆管内流动和传热的第二定律特征；并使用圆柱坐标系下的控制方程，求解了幂律流体圆管流动的速度场和温度场[7]。对于非圆管道，Mukherjee等人研究了层流时，幂律流体和宾汉流体在强制对流情况下，通过一系列不同截面形状长管道的流动与传热特性[8]。Guckes等人使用有限差分法，来求解幂律流体和宾汉流体在偏心圆环管中流动的平均体积流率[9]。Mitsuishi等人使用高聚合物非牛顿流体作为实验材料，给出了偏心圆环管中非牛顿流体流速与压降之间的关系[10]。
近年来，新型的非牛顿纳米流体在微管内的流动与传热成为热门的研究方向。Hojjat等人使用实验法，研究了三种非牛顿纳米流体在湍流状态下流经均匀加热圆管时的对流传热情况，结果显示非牛顿纳米流体比一般非牛顿流体具有更优的传热性能[11]。Kamali等人使用有限体积法模拟了恒定热通量下，多壁碳纳米微管对非牛顿纳米流体层流传热的强化作用[12]。Sajadifar等人将滑移速度和温度阶跃的边界条件纳入考虑，用数值方法研究了非牛顿纳米流体在微管内的强制对流换热，结果显示纳米粒子体积分数和滑移系数与Nu数呈正相关关系[13]。Akbari等人模拟了不同固体纳米粒子对于微管内非牛顿纳米流体层流传热的影响，结果显示提高粒子体积分数和降低粒子直径都能够改善流体的传热特性[14]。Tahiri等人基于拉普拉斯变换，分析并数值模拟了恒定热通量下非牛顿纳米流体在微管内的换热，讨论了Br数、幂律指数n、Pe数和纳米粒子集中程度对于Nu数的影响[15]。Ragueb等人使用广义积分变换技术（GeneralizedIntegral Transform Technique, GITT），获得了入管温度周期性变化条件下，非牛顿纳米流体在椭圆管内流动换热的精确解；并建立关系式求解了使热力波振幅获得99%衰减所需的热力长度[16]。
国内对于非牛顿流体管内流动和传热的研究起步较晚，成果也较国外少。严建平等人使用SIMPLE方法，对高粘幂律流体在管内的流动与传热进行了求解[17]。姜笃志分析了管道非牛顿流体流变性的一般规律并建立模型[18]。许甜甜使用有限体积法，研究了不同截面管道形状对于非牛顿幂律流体的流动与传热特性的影响，获得了各种管内流动的速度场与温度场，并讨论了幂律指数n、Br数、Re数与摩擦阻力系数、对流换热系数之间的关系[3]。马倩与张钧波等人对于充分发展阶段的非牛顿流体轴向层流在环管中的流动与换热进行了数值研究，发现偏心率的大小会高度影响环管内温度和速度的周向分布不均匀性[2][19]。杨旭等人分析了非牛顿流体的本构及流动规律，基于空间分数阶微积分方法，建立了分数阶非牛顿流体本构模型，使用分数阶的阶数大小来反映非牛顿流体流动的空间记忆性强弱[20]。
经过以上分析可以看出，我国在非牛顿流体管内流动与换热特性这一研究领域相较国外远称不上成熟，大多数停留在对非牛顿流体管内流动进行基本的数值模拟这一阶段，而缺少对于模拟条件的多样化拓展以及对结果数据之间关系更加详尽的讨论。关于非牛顿纳米流体管内流动这一新兴领域更是空白。又考虑到非牛顿流体管内流动传热在工业上的广泛应用，进一步进行相关方面的数值研究是很有必要的。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}2．1研究内容
本工作主要研究非牛顿流体在管道内的流动与传热情况。包括建立非牛顿流体在管道内的流动分析方程，建立非牛顿流体在管道内的流动与传热数值模型并求解，将求解结果进行分析并与已有实验结果和分析解进行比对等。
2．2研究目标
通过对非牛顿流体在管道中的流动与传热进行数值建模仿真，求解速度场与温度场。分析非牛顿流体在管道中的流动与传热特性，包括非牛顿流体管道流动的平均速度以及表面传热系数，与出入口压力差、管壁处的流体剪切应力以及流体本身的粘度的关系。
