非牛顿流体颗粒悬浮流及雾化射流的研究

Multiphase flows of non-Newtonian fluids are some kind of flow with universality, particularity, complexity and significance. There are still many issues, for this flow, which have not been clarified yet. The present project will focus on the investigations of discrete particle motion in non-Newtonian fluids and principle of non-Newtonian liquids breakup and atomization spray. On one hand, based on direct force format and lattice Boltzmann approach, fictitious domain method aimed at the movements of non-Newtonian liquids will be established to study the movements of sphere, ellipsoid, cylindrical particles in shear flow of non-Newtonian fluids with various rheological properties, which will include the particle migration characteristics, the existence conditions and locations of equilibrium points, the concentration and the formation of chain structure as well as the effect of related parameters. Results will reveal the laws of migration properties of single particle, the existence conditions of equilibrium points, motion characteristics of multiple particles, as well as concentration and the formation of chain structure. On the other hand, a comprehensive numerical model will be established to describe the atomization spray of non-Newtonian fluids, in which both the primary and secondary breakup are included. Under various nozzle types and liquid rheological properties, the primary atomization, the modes of droplets breakup and collision and the evolution of atomization spray will be investigated. Results intend to propose critical parameters of primary atomization and to define the dimensionless number of droplet breakup and collision mode. Furthermore, the flow and velocity field of jets, the droplet spatial distribution and the law of particle size distribution will be revealed. The research achievements of the project have academic values and practical significances.

非牛顿多相流动具有普遍性、特殊性、复杂性和重要性，目前仍存在许多尚未弄清的问题。本项目重点研究离散颗粒在非牛顿流体中的运动以及非牛顿流体破碎与雾化射流。拟基于直接力格式和格子Boltzmann方法，建立针对非牛顿多相流动的虚拟区域方法，研究圆球、椭球、圆柱形颗粒在不同流变特性的非牛顿流体剪切流场中的迁移特性、平衡点存在的条件和位置、集聚和链状结构的形成以及相关参数的影响，揭示单颗粒迁移特性和平衡点存在的条件以及多颗粒运动特性、集聚和链状结构形成的规律。拟建立将一次雾化与二次雾化相连接的非牛顿流体破碎与雾化射流全流场综合数值模拟方法，研究不同喷嘴类型和流变特性情况下非牛顿流体的一次雾化、液滴破碎与碰撞模式、雾化射流场的运动，提出一次雾化的临界参数和界定液滴破碎与碰撞模式的新的无量纲常数，揭示雾化射流中流场与液滴的速度分布、液滴的空间和粒径分布规律。项目的研究成果具有学术价值和实际意义。

非牛顿多相流因其特殊的属性而成为一些新兴技术领域的核心突破点，例如石油工业中的钻井液和水力压裂液、火箭推进系统中的凝胶燃料等。了解和掌握非牛顿多相流的运动规律具有重要的学术价值和实际意义。非牛顿多相流包含两大类问题，一是离散颗粒在非牛顿流体中的运动，二是非牛顿流体破碎及其雾化射流运动。第一类问题中又包括单颗粒在管道中的径向移动、多颗粒的相互作用和集聚、多颗粒形成的链状结构等，目前还有一些问题没有搞清楚。第二类问题中在一次雾化和二次雾化方面还有些问题有待澄清。. 本研究针对以上两类问题进行了研究，在单颗粒在管道中的径向移动方面，揭示了圆球形和椭球形颗粒在矩形管道非牛顿流体中的径向迁移规律；确定了它们停留在矩形管道角落的平衡点消失时所对应的临界雷诺数；给出了流变特性、雷诺数、管道截面长宽比对颗粒径向迁移和平衡点位置的影响。在多颗粒的相互作用和集聚方面，揭示了多个颗粒在粘弹性Couette流和侧向剪切流中运动和集聚结构形成的规律。在多颗粒形成的链状结构方面，揭示了Couette流中圆球颗粒形成链状结构的机理。在非牛顿流体破碎及其雾化射流运动方面，揭示了在不同喷嘴类型、不同流变特性情况下，非牛顿流体液膜稳定性及一次雾化、二次雾化和雾化射流运动的机理；提出了描述液滴破碎、碰撞的体现流变特性和工况条件的新的无量纲常数；给出了非牛顿流体雾化射流中流场和液滴的运动形态和分布特征。. 通过研究，丰富了对颗粒在非牛顿流体管道流中径向移动和平衡点规律、多颗粒在非牛顿流体中相互作用和集聚、多颗粒在非牛顿流体中形成链状结构、非牛顿流体破碎及其雾化射流运动的认识。为在微流控技术中调控颗粒的运动从而达到计数、诊断和分离等目的，在化工、轻工、医药、食品领域中通过对固粒运动和分布的控制，从而优化产品的生产过程等实际应用提供理论基础。