偏心圆筒流局部区域复合流场控制原理与方法研究

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在实际加工过程中,聚合物流体通常会受到包含拉伸流动和剪切流动的复杂流场作用,两种流动组分对流体内部微观结构演变过程具有不同的影响。能够产生稳定、可控流场的流变仪是研究不同流动组分对材料流变学行为影响的实验基础。传统流变测量仪器主要产生流动组分单一的简单流场,对材料流变参数的测量表征十分有利。然而,一些受限于客观条件的流变测量实验往往需要在包含多种流动组分的复合流场内进行。这些复合流场通常存在流动组分耦合的问题,难以实现材料流变参数的测量表征,因此有必要对复合流场的流场特性进行调控。偏心圆筒流可以在全流域内产生复合流场,但是在流变测量应用方面的研究较少,究其原因在于目前缺乏偏心圆筒流局部区域流场特性调控方法的研究,无法实现流变测量应用所需要的流场内应变速率或应力的定量控制。因此,本研究提出了一种偏心圆筒流局部区域中拉伸速率和剪切速率的定量调控方法。通过建立偏心圆筒流的流场数理模型,探讨了内外筒角速度比、偏心比、半径比等流场可控参数对流场内拉伸-剪切流动比例的影响。理论结果表明,相比于偏心比和半径比,内外筒角速度比的可控范围更广且对流场内拉伸-剪切流动比例的控制效果更好。同时,首次提出了一种基于内外筒角速度比的偏心圆筒流场局部区域拉伸-剪切流动比例调控新方法。在该方法的基础上,首次发现当内外筒以临界角速度比异向或同向旋转时,分别可以在偏心圆筒流场的特定流线或特定区域内产生局部“纯剪切”流动或局部“纯拉伸”流动。开发出一台内外筒角速度控制精度和偏心距控制精度分别为10-4 rad/s和0.02mm的偏心圆筒流变仪,可以实现高精度偏心圆筒流的产生与控制。分别搭建粒子图像测速装置(PIV)和液滴可视化装置,通过测量得到的流场速度分布和液滴经历流场应变速率时所产生形变,实现了流场应变速率的实验验证。通过计算得到了在偏心圆筒流特定流线上产生局部“纯剪切”流场所需的临界内外筒角速度比与半径比呈反比例关系,并且随着偏心比的增大而降低。特定流线上的局部复合流场是一个包含了稳态剪切流和振荡剪切流的剪切叠加流,通过实验证实了剪切叠加流的存在。结果表明,稳态剪切流和振荡剪切流之间的比例与偏心比和半径比有关。大偏心比有利于获得更强的振荡剪切流,而大半径比则有利于获得更强的稳态剪切流。此外,通过计算也得到了在偏心圆筒流特定区域上产生“十”字形的局部“纯拉伸”流场所需的临界内外筒角速度比与半径比呈反比例关系,并且随着偏心比的增大而增大。当内外筒以临界内外筒角速度比进行振荡运动时,可以在这个局部流域产生振荡拉伸流,通过实验证实了振荡拉伸流的存在。结果表明,小半径比/偏心比适合产生频率较低的振荡拉伸流,而大半径比/偏心比则适合产生频率较高的振荡拉伸流。该方法是目前第三种产生振荡拉伸流的方法,适合低黏度流体下的体系。相比于传统基于内外筒偏心比的控制方法,本研究所提出的基于内外筒角速度比的流场控制新方法具有控制变量变化范围广和流场控制效果好等优点,能够实现偏心圆筒流局部区域拉伸-剪切流动比例的精确调控。通过对内外筒角速度的精确控制,可以在偏心圆筒流特定流线或特定区域内产生剪切叠加流和振荡拉伸流,这两种特殊流场有望成为研究剪切流和拉伸流对分散相流变学行为影响的流变学工具。本研究工作对丰富复合流场局部区域流场特性控制理论,补充流变学实验研究手段,均具有重要的科学价值与实际意义。
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