窄槽道内绕圆柱纤维悬浮流场的数值模拟

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纤维悬浮流在自然界和工业中广泛存在,其在复合材料、环境、造纸、纺织等领域的应用引起许多研究者的研究兴趣。悬浮流中纤维的取向分布和空间构形直接影响到相关材料的力学、热学和电学等特性,因此,对流场内纤维取向分布的研究有重要的意义。   纤维在挤压-膨胀悬浮流中的运动,如含有圆柱的窄槽道流,在复杂槽道纤维悬浮流中具有代表性。本文采用有限差分法计算流场,基于细长体理论,利用拉格朗日模型预测纤维取向,数值模拟了窄槽道内绕圆柱纤维悬浮流场。文中给出了不同雷诺数,不同障碍物情况下纤维颗粒取向分布状态与流场的关系,以及不同纤维颗粒初始取向,St数,长径比对槽道内纤维取向分布的影响。将数值模拟的部分结果和实验结果对比,两者吻合较好。数值模拟结果表明:窄槽道下游中心线区域由于拉伸流的作用,纤维取向与流场流向一致,雷诺数的变化只对圆柱后面的尾流区域纤维取向分布有影响。障碍物大小和形状的改变只对其附近区域纤维颗粒取向影响较大,而对槽道内纤维最终取向没有影响。不同初始取向对槽道内上游区域纤维颗粒取向分布影响很大,但在槽道收缩段拉伸流的作用下,纤维颗粒取向趋于一致,初始取向对槽道下游区域纤维取向的影响不大。速度梯度使得较小的St数,大长径比的纤维颗粒更容易趋于流场的流向方向。速度梯度对槽道内纤维颗粒的取向分布状态的影响占主导作用。
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