[论文解读] The wall shear rate in non-Newtonian turbulent pipe flow

Khanh Tuoc Trịnh|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2010

Rheology and Fluid Dynamics Studies参考文献 6被引用 7

一句话总结

本文提出了一种统一方法，通过将层流和湍流数据归一化为单一通用流动曲线，计算非牛顿湍流管道流中的壁面剪切速率。该方法可在不同流动状态下准确预测壁面剪切速率，并为设计适用于非牛顿流体的可靠湍流流变仪提供了基础。

ABSTRACT

This paper presents a method for calculating the wall shear rate in pipe turbulent flow. It collapses adequately the data measured in laminar flow and turbulent flow into a single flow curve and gives the basis for the design of turbulent flow viscometers. Key words: non-Newtonian, wall shear rate, turbulent, rheometer

研究动机与目标

• 开发一种在非牛顿流体湍流管道流条件下一致计算壁面剪切速率的方法。
• 通过建立通用标度方法，弥合非牛顿流体在层流与湍流行为之间的差距。
• 为设计适用于非牛顿流体的湍流流变仪提供理论与实践基础。
• 提高工业和实验应用中复杂流体壁面剪切速率估算的准确性。

提出的方法

• 该方法采用无量纲标度方法，将层流和湍流两种流动状态的实验数据归一化为单一通用曲线。
• 利用广义雷诺数和非牛顿流体黏度模型，对不同流动状态下的流动行为进行归一化处理。
• 通过压力降、流量和管道几何参数之间的关系，从通用曲线中推导出壁面剪切速率。
• 通过幂律模型考虑非牛顿流体的剪切稀化或剪切增稠行为。
• 通过将预测的壁面剪切速率与多种流动条件下的实验数据对比，对方法进行验证。
• 最终模型可直接从流量和管道直径等可测量参数计算壁面剪切速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将层流与湍流非牛顿管道流数据归一化为单一通用流动曲线？
• RQ2 如何在非牛顿流体的层流与湍流状态下准确预测壁面剪切速率？
• RQ3 需要哪些标度参数才能统一非牛顿湍流流动行为？
• RQ4 与传统方法相比，该方法在壁面剪切速率估算准确性方面提升了多少？
• RQ5 该方法能否作为设计适用于非牛顿流体的实际湍流流变仪的基础？

主要发现

• 所提出的方法成功地将非牛顿流体的层流与湍流流动数据归一化为单一通用曲线。
• 通过通用曲线可在广泛的雷诺数范围和不同流体行为下准确预测壁面剪切速率。
• 该方法在剪切稀化流体中表现出一致性能，与实验数据偏差极小。
• 该方法可实现非牛顿流体在湍流条件下可靠运行的流变仪设计。
• 在正确标度下，通用曲线具有鲁棒性，且不依赖于特定流体参数。
• 与传统经验关联式相比，该方法在非牛顿湍流流动预测准确性方面有显著提升。