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本文基于细长体理论,用Fluent求解流场,利用拉格朗日模型计算纤维粒子,数值模拟了复杂流场稀相纤维悬浮流中纤维粒子的运动.通过统计大量纤维粒子的运动得到纤维悬浮流的宏观特性,研究了纤维和流场几个重要参数对纤维运动的影响。
在二维T型分叉管道中,当流动为层流时,假设纤维是无惯性的圆柱状刚性粒子,利用Jeffery方程求解纤维运动轨迹,数值模拟的结果与实验数据吻合较好.结果表明管道截面上纤维的空间分布和纤维长径比有关,纤维较长时,上壁面附近纤维浓度很低;纤维较短时,整个截面上纤维空间分布比较平均.上壁面附近纤维浓度随着Re数的增加而逐渐变大,在下壁面附近刚好相反.壁面附近的纤维取向与流线基本一致,而中心线附近纤维的取向要达到与流线方向一致,所需要经过的距离更长.当流场为湍流时,在Re数较大情况下,对粒子采用Stokes阻力模型,流场采用雷诺应力模型(RSM)计算.结果表明纤维粒子的浓度扩散与流场的脉动量有关,流场速度脉动强的区域,粒子扩散快,浓度低;而粒子浓度高的区域,速度脉动比较小.纤维粒子旋转扩散与流场的剪切速度有关,在流线曲率大的区域,纤维与流线的夹角较大,并有最优取向;而在纤维与流向一致的区域内流线比较平直.纤维粒子在湍流场脉动作用下的偏角在各个方向上均匀分布。
在收缩流场中,用RSM计算三维流场,结合随机游走模型(Random-walk)生成湍流场,利用三维分段计算方法计算粒子受到的力,用欧拉四参数模型求解三维的粒子运动轨迹.结果表明纤维粒子的偏角跟流场的收缩比和粒子长度有关,收缩比越大,粒子的偏角越接近流线方向;粒子长度越长,脉动影响越小、粒子偏角越接近0度;纤维附加剪应力和附加正应力差随着收缩比的增大而增加。
最后由纤维应力模型计算纤维对流场的影响,采用稀相纤维附加应力模型,计算了纤维对收缩流场的影响.结果表明较高的粒子浓度会增大流场湍流耗散率,使压力损失变大。