大曲率弯道中剪切稀化非牛顿流体的湍流流动研究

弯道湍流是内流流体力学和流体工程中复杂流动的一个代表性的问题，当流体介质是非牛顿流体时，弯道中的湍流问题亟待研究。本项目实验测量与数值模拟相结合，研究大曲率方截面弯道中剪切稀化非牛顿流体的湍流流动。实验时选取代表性的流体，在流变学物性测量的基础上，使用超声多普勒测速仪和高频响压力传感器，详细测量大曲率方截面弯道中的湍流的平均流场和湍流脉动特性,并与牛顿流体的湍流比较。然后研究这一类湍流的模化，着重分析因流体剪切黏度的变化而可能导致的流动转捩和湍流的间歇性，并考虑流线曲率的影响，发展这一类流体的湍流模型。同时研究这一类流体湍流流动的数值算法，针对计算时可能出现的奇异性以及因此导致的算法不稳定性，提出使用延迟修正，建立高精度高分辨的稳定算法。通过对大曲率方截面弯道中剪切稀化非牛顿流体的湍流流动研究，揭示流体介质的剪切稀化特性对湍流结构的影响以及潜在的流体力学和流变学机理，并为工程应用提供参考。

自然界和工程应用中，弯曲通道中的湍流问题广泛存在。弯道流动与相关设备和设施的能效和安全等整体性能密切相关，是内流流体动力学和流体工程中的一个具有代表性的复杂流动问题。弯道湍流问题的复杂性，主要体现为流动现象的复杂性和流体介质的多样性两个方面。非牛顿流体在工业中广泛存在，当流体介质是非牛顿流体时，弯道湍流的基本现象和特征与牛顿流体流动将可能有所不同，而这一问题的研究则迄今非常不充分。.本项目依托具有牛顿流体湍流经典数据的90°方截面的大曲率弯道，实验测量与数值模拟相结合，研究其中具有剪切变稀特征的拟塑性非牛顿流体的湍流的基本特征。因此本研究中拟塑性非牛顿流体的湍流，是这一经典流动问题的比较和补充。.实验流体是浓度1％的CMC溶液，具有明显的剪切变稀特征。在流变学物性测量的基础上，使用超声多普勒测速（UDV dop3010）和PCB高频响压力传感器，详细测量了大曲率方截面弯道中的湍流的平均流场和湍流脉动特性，并与牛顿流体的湍流比较。.研究了这一类流体湍流的模化，着重分析了因为流体剪切黏度的变化而可能导致的流动转捩及其模化问题，同时研究了流体的幂指数对低雷诺数模型的修正，发展了一种基于幂指数修正的低雷诺数k-ε模型。.数值算法方面，研究了物性变化、奇异性、时间离散格式等对算法的影响，发展并建立了一整套高精度高分辨的稳定算法。.采用本项目发展的湍流模型和算法，数值模拟研究了弯道中剪切稀化非牛顿流体的湍流，并与实验结果相结合分析。研究结果表明，拟塑性流体湍流仍然具有牛顿流体湍流的多尺度特性，流体剪切变稀使得近壁较大的速度梯度和变稀的黏度互相促进，粘性层的厚度加大，弯道中湍流的脉动和二次流都比相同流速的牛顿流体流动更强。.研究结果给出了剪切变稀特性对大曲率弯道中湍流流场的影响，揭示了其中的流体力学和流变学机理。对比弯道中牛顿流体湍流的脉动及二次流强度，为涉及这一类流体的设备的设计、优化以及应用安全性等方面提供了参考。