流体中柔性复合纤维的运动分散性研究

Based on the industrial application such as paper making industry and so on, the fiber reinforcing fluid is investigated in this project, especially for the manufacturing and development of new materials with some special properties, such as electromagnetic shielding paper. With respect to universal problems in the process of optimization, fluid dynamics and kinematics mechanism of flexible fiber is discussed from the multiphase flow dynamics research, as to provide theoretical basis for the process optimization and the development of new materials. The research will focus on the flow characteristics about suspension flow of composite fibers containing one or more solid particle in fluid, especially the energy transport mechanisms of the flow field considering the existing of flexible fiber displaying obvious anisotropy and influenced by viscoelastic effect, concerning the coupling mechanism including the motion of composite fiber with different physical properties, the effect between composite flexible fiber and fluid. At the role of fluid, the flexible fiber with large aspect ratio is affected by horizontal and tangential fluctuating pressure, and the fluctuating pressure can lead to the flexible deformation of fiber, and drive the fiber do translational, rotational and spiral motion in fluid, further the flexible deformation and its movement will act on the fluid, changing the flow characteristics of flow field, it becomes the difficult issue of fluid-solid coupling mechanics.

本项目拟以造纸等工业应用为背景，对加入了增强材料性能的复合柔性纤维的流体开展研究，特别是面向制造和开发具有某些特殊性能的新材料，如电磁屏蔽纸等在工艺过程优化中的普适性问题，从多相流动力学研究出发探讨柔性纤维流体的动力学和运动学机理机制，为优化工艺和开发新型材料提供理论依据。研究将着重关注含有一种及以上复合柔性纤维流体的流动特性，特别是关于考虑柔性纤维存在的明显的各向异性特点和受其弹性效应影响的流场运动特性研究；以及对具有不同比重、弹性模量等物理性能的复合柔性纤维的运动分散性、复合柔性纤维与流体间的耦合作用机理的研究。因在流体的作用下，具有柔性和一定长径比的纤维受到横向和切向的脉动压力，脉动压力会引发纤维的柔性变形，并带动纤维在流体中做平动、旋转、螺旋等运动，纤维的柔性变形与运动反过来又作用于流体，改变流场的流动特性，是流固耦合力学问题的研究难点。

在造纸、纺织、高分子塑料、油品质量控制、特殊性能材料开发等工业过程中，均存在固体颗粒物在流体中运动和沉降的问题，流体中的颗粒物的运动及其分散度对制成品及其检控的质量有关键性的影响，对于颗粒物在流体中的运动，以往一般将其简化为刚性球粒子，但在造纸等领域中，颗粒物为具有一定长径比的柔性纤维，再以刚性球粒子的方法研究难具代表性。流体中纤维的分散度取决于纤维的浓度、纤维的取向、纤维的沉降特性、纤维的变形及其与流场的耦合作用，特别是纤维与纤维、纤维与流体的耦合等流动特性。本项目围绕这些影响流体中纤维运动分散度的因素开展研究。针对造纸、新材料开发等工业背景应用，特别是面向制造和开发某些具有特殊性能的纸张材料，如燃料电池专用纸、防水耐磨纸等新型材料和油料检控新工艺等过程控制优化中的一些普适性问题，从研究多相流流动特性力学问题出发探讨工艺过程中的流体动力学和运动学机理机制，采用建立算法模型、进行理论分析，对比实验研究等方法，设计开发新的实验方法和实验装置，为开发新材料、新检控工艺提供理论指导，并开发出燃料电池专用纸、防水耐磨纸等新材料和油品监控的新工艺方法和实验研究新装置。研究方法和成果不仅对于多相流的理论研究具有重要意义，而且对生产实际具有重要的指导意义，且具用国防和工业用途。