壁面湍流流動(dòng)高分子減阻等效粘度模型的驗(yàn)證與減阻主影響區(qū)的確定.pdf

1、自從20世紀(jì)40年代Toms發(fā)現(xiàn)高分子湍流減阻效應(yīng)以來，對(duì)其減阻機(jī)理已開展了大量的研究，但是一直沒有定論。在有界壁面湍流中添加高分子之后，聚合物高分子鏈在湍流渦旋的旋轉(zhuǎn)拉伸作用下，使得湍流的渦動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為高分子的彈性勢能。當(dāng)高分子鏈松弛時(shí)，周圍的粘性阻尼增加，即流體的拉伸粘度增大，流體呈現(xiàn)出粘彈特性，雷諾應(yīng)力減小，湍流向壁面的動(dòng)量傳遞減小，減阻發(fā)生。本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，從流體的等效粘度著手對(duì)高分子的減阻機(jī)理作了進(jìn)一步的研究和探索。

2、
　　 本文首先從高分子的粘彈性方程出發(fā)，考慮高分子加入牛頓流后的額外剪切應(yīng)力，化簡成牛頓流的等效形式，從理論上推導(dǎo)出減阻流的一種理想等效粘度分布，在湍流近壁區(qū)高分子拉伸產(chǎn)生了自洽的等效粘度，它隨著壁面距離y的增加而線性的增大。這種分布降低的雷諾應(yīng)力(如：壁面動(dòng)量通量)超過了它自身的粘性阻力(在雷諾應(yīng)力占有支配性時(shí)，減阻的自洽解隨著粘性阻力的增加而減少)。把這種理想等效粘度模型分成2個(gè)區(qū)域：粘性底層、高分子粘性影響區(qū)。從湍流的能

3、量耗散機(jī)制的角度進(jìn)行分析，用此粘度模型得到的減阻流動(dòng)時(shí)均速度分布與Virk的唯象模型結(jié)果相一致。
　　 為了找出影響減阻的主要區(qū)域，仿照上述等效模型，把等效粘度模型分成3個(gè)區(qū)域：粘性底層、高分子影響區(qū)、湍流核心區(qū)。采用逐漸減少高分子粘性影響區(qū)的方法，了解減阻的變化。計(jì)算結(jié)果表明低減阻時(shí)(LDR-Low Drag Reduction)減阻的影響區(qū)較小(無量綱壁面距離y+小于100以內(nèi))，高減阻(HDR-MDR，High Drag

4、Reduction-Maximum Drag Reduction)時(shí)減阻的影響區(qū)較大(在接近最大減阻極限時(shí)，減阻主影響區(qū)域達(dá)到無量綱壁面距離y+約是200附近)。
　　 由于當(dāng)前計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和內(nèi)存容量的限制，直接數(shù)值模擬(DNS)無法計(jì)算高雷諾數(shù)條件下湍流流動(dòng)，更無法得到高雷諾數(shù)工況下的高減阻流動(dòng)情形。而雷諾應(yīng)力模型可用來計(jì)算一般較高雷諾數(shù)流動(dòng)工況，本文將壁面湍流流動(dòng)高分子減阻等效粘度模型加載于雷諾應(yīng)力模式中，得到了高雷諾數(shù)條