粘弹性流体在管道内流动的动态响应分析

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多孔介质中流体的流动在于自然界和各种工程问题中非常常见。许多流动问题是在压力驱动下流体流动产生的,因此涉及到多孔介质中流体对压力频率的响应。本文的主要研究是描述在周期性压力驱动下不同粘弹性流体在多孔介质中振荡流动特性,其中包括Jeffrey流体、分数阶Maxwell流体。分别讨论通过流体在管道内的渗透率描述流体的动态响应现象;当管道发生振荡时,通过求解管壁与流体之间的摩擦偏差函数,描述流体的振荡流动情况。本文第一部分主要研究粘弹性流体在直圆管内的振荡流动。在轴向施加振荡压力梯度,流体在压力作用下发生流动。利用傅里叶变换将问题从时域转换到频域,通过无量纲变换,得到流动速度的解析解与无量纲动态渗透率的表达式,并通过分析无量纲动态渗透率与无量纲压力频率之间的关系去描述流体的流动情况。以Jeffrey流体、分数阶Maxwell流体为主要研究对象,在特定的物理参数下得到流体速度的解析解表达式以及无量纲渗透率与前人的研究结果相吻合,验证解析解的准确性以及有效性。研究结果表明Deborah数的增加即松弛时间的增加会使得流体的动态渗透率加强,对于系统来说,共振状态会增强;对于Jeffrey流体粘弹性参数的增加,会减弱流体的渗透率,而在α较大时,粘性效应占主导地位,流体流动产生的振荡现象不明显;对于分数阶Maxwell流体分数阶微分参数较小,共振现象强烈,而分数阶微分参数较大时,共振现象较弱。此外分析了无量纲动态渗透率最大值以及无量纲动态渗透率最大值出现的频率与Deborah数的关系,给出不同粘弹性参数以及分数阶微分参数情况下动态渗透率的最大值,这对于提高流体在管道内的流速,有着重要的研究意义。第二部分在压力驱动下进一步考虑管道振荡对于流体流动的影响。当管道振荡时,管道与流体之间会产生相对运动导致流体与管壁产生摩擦,摩擦力的存在会影响管道内流体流动,因此讨论管道振荡对于流体流动具有重要意义。通过求解粘弹性流体在振荡管道内的流动方程,根据流体的物理性质和管道半径,得到壁面总的摩擦力2πaτ与平均速度的比值去描述摩擦偏差,从而描述流体与壁面之间的摩擦偏离情况,并通过摩擦偏差与频率之间的函数关系分析系统从耗散状态到弹性状态的变换。在固定的物理参数下,摩擦偏差函数的振幅随着频率的增加,共振峰的数目减少,振幅减小,系统逐渐趋于稳定状态,共振状态主要发生在低频率下,高频率下系统共振状态减弱。此外分析Deborah数、粘弹性参数以及分数阶微分参数对于系统粘弹性状态的影响。
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