摘要：本文对满足幂律模型的非牛顿流体的流动与换热情况进行了数值模拟研究，通过建立 幂律流体在换热环管中流动的数学物理模型，采用 SIMPLE 算法进行数值模拟，得到在不 同幂次，不同入口 Rer 下及具有一定偏心距换热环管内幂律流体的流动与换热特性，结果 表明：幂律流体的幂次从 n=0.1 变化到 2.0 时，换热效果逐渐减弱；随着幂律流体入口 Rer 数的增大，同一幂次下 Nu 基本不变，不同幂次下 Rer 存在差异；幂律流体在偏心距不同 的环管中流动时，偏心程度越高，流体流动的不对称性增大，换热效果随之减弱。  

关键词 幂律模型 流动换热 数值模拟

Title Numerical Simulation of Power Law non-Newtonian Fluid  Flow and Heat Transfer in a Heat Exchanger            

Abstract：By establishing the mathematical model of power law fluid flowing in the heat exchanger, the numerical simulation of the flow and heat transfer  of  power law non-Newtonian fluid is carried out. The SIMPLE algorithm is used to simulate the flow and Heat Transfer Characteristics of Power Law Fluid at Different power law index, different Rer and different heat exchanger with certain eccentric. The results show that the heat transfer effect is gradually weakened when the power law index changes from n = 0.1 to 2.0,with the increase of  Rer of the inlet,the Nu is kept the same at the same power law index. The power law fluid has different eccentricity, the higher the degree of eccentricity, the asymmetry of fluid flow increases, the heat transfer effect decreases.

Keywords   Power-law model   flow and heat transfer    numerical simulation

目次

1  绪论 1

1.1  课题研究背景  1          

1.2  国内外研究现状  1          

1.3  本文研究的内容  2          

2  幂律流体概述  4

2.1 非牛顿流体的基本概念   4          

2.2 剪切稀化流体   5

2.3 剪切稠化流体 5

2.4 本章小结 5

3  对流换热热力学基础及求解计算模型  7  

 3.1 换热计算理论基础与控制方程 7

3.2 换热器性能对比参数选择   8          

3.3 计算模型与参数设置 8

3.4 本章小结  11

4 流动与换热结果分析及讨论  13

4.1 幂律指数的改变对流动换热的影响 13

4.2 边界条件的改变对流动换热的影响  16

4.3 换热器的结构改变对流动换热的影响  18

4.4 本章小结 21 结论  2 2 致谢   2 3 参 考 文 献                   2 4

1 绪论

1.1 课题研究背景

在自然和工业生产过程中，有许多剪切应力和剪切速率不是流体之间的线性关系，称为 非牛顿流体[1]。不同于牛顿流体的常粘度定律，非牛顿流体的本构关系通常较为复杂，对于这 类流体，在剪应力的作用之下，流体的流动状态将会发生不可逆的连续改变，因此与牛顿流 体区别明显[2]。非牛顿流体在生产生活中也比较多见，泥浆，胶体，膏体及人体内的血液，都 是非牛顿流体，非牛顿流体在管道内流动在生产生活中也十分常见，如血液在管道中流动， 石油在管道内输运等，在此基础上，了解非牛顿流体在管道内的输运机理，并通过与牛顿流体 相比较，得到非牛顿流体管道内流动及换热的特点，不论是提高对生活的认识，还是基于对 生产实践的指导，都具有比较重要的意义。

对于非牛顿流体流动特性的研究，需要选择合适的模型，宾汉模型和幂律模型是研究非 牛顿流体广泛采用的模型[3]。对于满足幂律模型的流体，在双对数坐标下，表观粘度与剪切变 形速度呈线性关系，这为研究非牛顿流体的流动特性提供了极大的方便。统计数据表明，工 业上 80％以上的广义牛顿流体均用幂律模型进行计算[4]，可见幂律流体模型的重要性。聚合 物熔体和溶液应用广泛，在聚合的炼胶，压延，挤出，注射等工艺流程中都有许多尚待研究 的非牛顿流体流动及换热问题，所以非牛顿流体力学的亟待发展是大势所趋[5]。