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1、 分类号： 单位代码： 10335 密 级： 学 号：10408002 博士学位论文 中文论文题目中文论文题目 ： 纤维悬浮湍流场中纤维悬浮湍流场中 纤维运动扩散系数的研究纤维运动扩散系数的研究 英文论文题目：英文论文题目： Research on the fibers dispersion coefficient in turbulent fiber suspension 申请人姓名： 高振宇 指导教师： 林建忠 合作导师： 专业名称： 流体力学 研究方向： 多相流 所在学院： 航空航天学院 论文提交日期论文提交日期 2008 年年 10 月月 纤维悬浮湍流场中纤维悬浮湍流场中 纤维运动扩散
2、系数的研究纤维运动扩散系数的研究 论文作者签名论文作者签名: 指导教师签名指导教师签名: 论文评阅人 1： 赵建福 研究员 中国科学院力学研究所 评阅人 2： 詹杰民 教授 中山大学应用力学和工程系 评阅人 3： 王晓宏 教授 中国科技大学能源工程系 评阅人 4： 鲁传敬 教授 上海交通大学工程力学系 评阅人 5： 苏中地 教授 中国计量学院流体研究所 答辩委员会主席： 范毓润 教授 浙江大学机电所 委员 1： 朱泽飞 教授 浙江理工大学 委员 2： 邵雪明 教授 浙江大学航空航天学院 委员 3： 林江 教授 浙江科技学院 委员 4： 林建忠 教授 浙江大学航空航天学院 委员 5： 答辩日期：
3、 2008 年 12 月 7 日 Research on the fibers dispersion coefficient in turbulent fiber suspension Authors signature: Supervisor s signature: External Reviewers: Zhao Jianfu Prof. Institute of Mechanics CAS Zhan Jiemin Prof. SUN YATSEN University Wang Xiaohong Prof. USTC Lu Chuanjing Prof. SJTU Su Zhongdi
4、 Prof. China Jiliang University Examining Committee Chairperson: Fan Yurun Prof. Zhejiang University IMCE Examining Committee Members: Zhu Zefei Prof. Zhejiang SciTech University Shao Xueming Prof. Zhejiang University SAA Lin Jiang Prof. ZUST Lin Jianzhong Prof. Zhejiang University SAA Date of oral
5、defence： December 7, 2008 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 浙江大学浙江大学 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 浙江大学浙江大学 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
6、本人授权 浙江大学浙江大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播， 可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 i 感感 谢谢 国家自然科学基金 重点项目 （No. 10632070） 资资 助助 ii 摘 要 摘 要 纤维粒子悬浮流的流变特性和运动特性在工业和自然界中具有广泛的应用 背景。与一般的流动不同，纤维粒子悬浮流中粒子具有方向性，运动是平动与转 动的结合，其运动状态由流体质点的平均速度及脉动速度控制。由于湍流场中纤 维粒子的特性影
7、响着湍流的流变性、输运以及热传导等特性，因此研究纤维粒子 在流场中的扩散以及取向分布是有别于一般流动的重要内容。 本文分别从粒子运动的基本状态方程和剪切湍流的随机理论出发， 推导了湍 流场中纤维粒子的扩散系数， 并研究了平面剪切湍流中纤维粒子的取向分布特性 以及取向分布对流动宏观特性的影响。 在各向同性湍流场中，从粒子运动的基本状态方程出发，考虑纤维粒子由于 加速运动产生的附加质量力以及流场与粒子速度差， 在定常以及非定常情况下建 立了粒子脉动速度与流体质点脉动速度的关系进而推导了粒子的平移及旋转扩 散系数。最终结果表明，纤维的平移及取向扩散同纤维长度与流场的拉格朗日空 间积分尺度之比有关，并
8、随该比值的增加而减少。 对于更普遍的非均匀和非各向同性的湍流场， 将剪切湍流的随机理论应用于 纤维取向变化率方程， 建立了二维平行剪切湍流场中各脉动速度梯度的相关矩函 数。在此基础上，推导出旋转扩散系数表达式，该表达式依赖于特征长度、特征 时间、特征速度以及与壁面作用相关的无量纲参数，为求解纤维悬浮湍流场提供 了理论基础。 在半稀相平面剪切湍流中， 在纤维悬浮流动瞬时状态方程以及纤维指向的概 率分布函数方程的基础上， 采用雷诺平均的方法推导了修正过后的适用于纤维悬 浮湍流的雷诺平均状态方程以及描述平均纤维指向的概率分布函数方程。 这些方 程通过一种逐次迭代算法数值求解了槽流中的湍流， 数值模拟
9、的结果与实验数据 以及前人圆管流动部分特征量进行相关比较。 其结果显示纤维粒子在流动中起到 了抑制湍动并减阻的重要作用，这种作用的影响随着纤维质量浓度的增加而增 大。 关键词关键词：纤维悬浮流，扩散系数，取向分布，概率分布函数 iii Abstract The rheology and kinetic characteristics of fiber suspension flow are very common in both nature and many industrial processes. Different from spherical particle suspensions
10、, the properties of fiber suspension mostly rely on the orientation distribution of cylindrical particles. The motion of fiber is a combination of translation and rotation. Besides, the motion of particles in a turbulent flow is governed by the mean and fluctuating velocity. The property of fiber in
11、 a suspension flow affects the rheology, transport, heat transfer and light scattering behaviors, so it is important to study the particle orientation distribution during flows. In this thesis, the dispersion coefficients of fiber are derived based on motion equation of particles and stochastic theo
12、ry of turbulent shear flow. The relationship between the effect on macroscopic properties of flow and orientation distribution of particles is investigated. In homogeneous turbulent flow, from the motion equation of particles, considering the virtual mass force due to the acceleration of particles a
13、nd different velocity between particle and fluid, the relationship between the fluctuating velocity of fiber and fluid is derived. Furthermore, the dispersion coefficient of translation and orientation is also achieved. The results show that decrease as the ratio of fiber length to Lagrangian integral length scale of the turbulence increased. In common nonuniform and inhomogeneous turbulent flows, applied stochastic theory of turbulent shear flow to the equation of fiber orientation, the function of correlation moment between the different fluctuating veloc
