非牛顿泊肃叶流中的三维颗粒运动机理研究

The motion of particles in non-Newtonian Poiseuille flows is applied widely in oil exploitation, blood flows and chemical industries. The present research aims to study the mechanism of the motion of ellipsoidal particles in several typical non-Newtonian Poiseuille flows using the lattice Boltzmann method. Firstly the multi-relaxation-time model will be constructed and the solving method coupling the lattice Boltzmann equation and the viscoelastic constitutive equation will be studied. The influence of Re, De and the particle parameters on the motion mode of the ellipsoidal particles and the rheology of the fluid will be investigated through 3D LBM simulations. As a result, the influence law of the parameters will be also discussed. Finally, the wall effect will be discussed by the motion of particles inside tubes with different shapes and wall types. Through the research above, the mechanism of the motion of ellipsoids in non-Newtonian Poiseuille flows will be revealed.

颗粒在非牛顿泊肃叶流中的运动问题涉及石油开采、生物血液流动以及化工等领域的工程应用，因此本项研究拟开展在几种典型非牛顿泊肃叶流中颗粒流动机理的格子玻尔兹曼方法(LBM)数值模拟研究，探讨此类复杂流动问题的流动机理。本项目拟首先发展粘弹性流的多松弛时间LBM（MRT-LBM）计算模型，研究格子玻尔兹曼方程（LBE）和粘弹性流本构方程（例如Oldroyd-B模型）的耦合求解方法。通过LBM数值模拟，研究非牛顿流体的流动特性，如雷诺数（Re）和德博拉数(De)，以及颗粒形状参数等对非牛顿流中颗粒运动规律和流体流变特性的影响，提出各参数的影响规律。最后，本项目拟引入壁面效应影响，通过研究颗粒在不同管道形状，诸如圆形管道、方形管道等，以及在平直壁面、周期性的波形壁面等不同管道壁面条件下的运动，提出在壁面效应对颗粒的运动模态和非牛顿流体流变性质的影响规律，揭示壁面效应影响颗粒运动的物理机理。

本项目主要针对颗粒在幂律流体及Oldroyd粘弹性流体中的运动规律进行研究，揭示了流体性质对颗粒运动的影响。通过研究发现，颗粒在Poiseuille流中中的平衡位置与幂律流体的幂律指数存在明显关系，并分析了其中的力学机理。本项目着重关注了椭球颗粒在弱粘弹性流体中的运动特征，比较了流动惯性效应、弹性效应及管道壁面效应对椭球颗粒运动的影响，计算发现了椭球颗粒在此种流体中的几种典型运动模态。颗粒在非牛顿流动中的相关研究成果可为工业领域的流动控制等应用提供重要参考。