悬浮液物理性质及其管中流动规律的研究

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本文主要对悬浮液物理性质的计算及其管中流动规律进行了理论与数值模拟研究。  首先,根据研究悬浮液管中流动规律的需要,推导出了一个计算悬浮液有效粘度的指数模型关系式。通过与其它有效粘度计算经验公式的对比分析,证明该公式可以很好地涵盖其它经验公式,并且在较宽的颗粒浓度范围都能适用。当考虑颗粒在液相中的分布情况及颗粒形状时,发展了一种计算含胶体颗粒的不可压缩粘性流体的有效粘性系数的变换场方法。在低颗粒浓度,该理论预测与爱因斯坦关于悬浮液的公式以及Taylor关于乳浊液的公式完全吻合。在高颗粒浓度,本文的结果与Nunan和Keller的结果相一致。由于悬浮液的有效介电响应是研究悬浮液分散、分级及流变特性的重要性,因此本文对线性和弱非线性悬浮液的介电响应进行了系统的研究。用超几何函数获得了线性悬浮液有效电导率的精确解。对于弱非线性悬浮液,发展了一种微扰展式法来推导其有效介电响应,并在稀颗粒浓度极限下求出了颗粒区和基液区的有效电导率。  其次,本文系统研究了悬浮液的管中流动规律。对于牛顿流体的偏心环空流动,利用管流的通解和格林函数以及加法定理,导出了计算偏心环空轴向流动速度及流量的级数公式。对于充分发展的无弹、剪切变稀幂律流体在偏心环空管中的轴向流动,采用有限元法进行了数值模拟。对数值解的分析表明流性指数和偏心率对流动状态都有很强的影响。对于包括偏心环空在内的任意双连通域,本文将Shu等人在单连通域上发展的区域自由离散法在双连通域上进行了推广,并将其应用到偏心环空轴向流动的数值模拟上。  最后,重点讨论了农业工程领域悬浮液的流动和应用问题。针对食品加工过程中悬浮液的管中流动,用数码录象方法对食品颗粒的轴向速度和径向位置进行了测量。考虑到非球形颗粒和羧甲基纤维素(CMC)溶液的非牛顿性,对有关文献中颗粒阻力系数计算的关系式做了修正。  高压射流技术用于覆膜穴播,是一项新兴的播种技术和研究领域。本文提出了一种实现射流穴播的机械装置,并用液固两相流理论对所设计的高压射流播种装置中种子和水流的运动规律进行了详细的理论研究。
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