粘弹性流体Rayleigh--Bénard湍流热对流流动与换热特性实验研究

• 作 者: 韦同舟
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 粘弹性流体

Rayleigh-Bénard对流（RBC）是经典的热对流模型，同时也被认为是研究湍流的几个最简单的模型之一。RBC湍流热对流广泛存在于人们的日常生活、工业生产及自然界中，具有非常重要的理论价值和研究意义。在水中加入少量的高分子聚合物或表面活性剂形成粘弹性流体，可以使流动阻力大幅度减少，也就是粘弹性流体减阻效应。最近，聚合物对RBC系统换热的影响引起了学者们的关注。然而研究结果既得到了聚合物可以增强换热的结论，又得到了聚合物会减弱换热的结论，由此可见聚合物对RBC系统换热影响的复杂性，同时另一种粘弹性流体-表面活性剂对RBC系统换热影响仍不清楚。因此本文开展了粘弹性流体RBC湍流热对流实验，深入研究粘弹性流体种类对不同宽高比RBC系统的流动结构以及换热特性的影响，阐述热对流换热影响的机理。
　　本文首先建立了RBC湍流热对流实验装置。测量了不同种类粘弹性流体的物性参数，结果表明粘弹性流体的剪切粘度明显高于水，其他物性参数与水差异不大，同时聚合物-聚环氧乙烯（PEO）水溶液剪切粘度不随剪切速率变化，而表面活性剂-十六烷基三甲基氯化铵/水杨酸钠（CTAC/NaSal）水溶液是典型的剪切稀变流体。确立了研究RBC系统流动特性的实验测量方法：粒子图像测速法（PIV）和阴影法。
　　其次，进行聚合物水溶液RBC湍流热对流实验研究。计算了系统的Nuseelt数（Nu数）、Reynold数（Re数）、大尺度环流尺度，并使用PIV技术测量了系统的流动速度场。结果表明，聚合物导致了RBC系统换热减弱，同时聚合物不影响RBC系统的流动状态，但会减小大尺度环流面积。通过RBC系统的粘性边界层厚度分析，发现聚合物水溶液的粘弹性使边界层厚度增加，这是导致RBC系统换热减弱的原因。聚合物RBC系统温度分布规律也与水工况的相似，满足对数分布。
　　再次，实验研究了表面活性剂水溶液RBC系统流动与换热特性，发现表面活性剂使RBC系统换热大幅度降低。通过阴影法和PIV技术研究RBC系统的流动特性，发现表面活性剂水溶液的剪切稀变特性抑制了RBC系统大尺度环流的形成，导致系统换热减弱。由于流动形态的差异，表面活性剂水溶液RBC系统温度分布规律不同于水工况的。表面活性剂的加入也导致RBC系统粘性边界层厚度增加，这会削弱RBC系统换热。
　　最后，进行宽高比为2的粘弹性流体RBC湍流热对流实验研究，发现聚合物的加入增强了系统换热，而表面活性剂仍减弱了系统换热。通过分析RBC系统中的速度场、温度分布和粘性边界层厚度，发现聚合物水溶液使羽流流动变得更加规则，从而增强RBC系统中央区域换热，同时也会使边界层厚度变大，这会削弱RBC系统边界层区域换热，但宽高比为2的RBC系统中央区域换热比重较大，因此两者共同作用下出现了换热增强的效果。表面活性剂水溶液RBC系统中的大尺度环流依然没有形成，系统换热减弱。同时宽高比为2的RBC系统流动形态和宽高比为1的RBC系统流动形态相似，因此具有相同的温度分布规律。结合所有实验工况下的Nu数、Re数、Rayleigh数（Ra数），给出了粘弹性流体RBC系统中Nu~Ra和Re~Ra的标度律关系式。