非牛顿流体的本地无量纲数分析方法
【专利摘要】非牛顿流体的本地无量纲数分析方法，涉及非牛顿流体。将非牛顿流体的各物性参数关联到时间与空间轴上，使其具有本地时空特征；对带有本地特征的各物理量进行量纲分析；利用本地物理量而非时均或场均物理量进行无量纲数的推导；将本地无量纲数投影到非牛顿流体内部的流动场，进行本地特征分析。能够深入到流体内部的非牛顿特性，而不仅仅是流体的宏观表象，使得以往难以观察到的非牛顿特性变得一目了然。也能定量地展示和研究流体的非牛顿特性，因此是对非牛顿流体更细微的一种研究途径。
【专利说明】非牛顿流体的本地无量纲数分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及非牛顿流体，尤其是涉及一种非牛顿流体的本地无量纲数分析方法。
【背景技术】
[0002]非牛顿流体广泛存在于现实生活、生产和大自然中，例如人体的血液、沐浴露、油漆、番茄酱等等。通常称之为非牛顿流体是因为他们在宏观上不满足牛顿黏性实验定律，即不满足剪切率和剪切力之间的线性关系。对于非牛顿流体而言，它们的物性参数是随时间和空间不断变化的，譬如最典型的粘性系数，它可以随着时间增加或减少，也可以随着剪切率的波动而变化。如何捕捉、体现和合理描述这种非定常非均性的流体特征对人们来说仍然具有一定难度。
[0003]目前，人们对于非牛顿流体的分析还是主要依赖于实验，但是人们对于实验结果通常只能进行定性或全局性分析。例如英国伯明翰大学的Wong等人(WongDCY., Simmons MJH., Decent SP.,Parau E1., King AC..Breakup dynamics and dropsize distribut1ns created from spiraling liquid jets.1nt.J.MultiphaseFlow, 30(5), pp.499-520，2004)就通过一套旋转台设备来观察非牛顿流体的破碎现象，美国加州大学的 Aliseda 等人(Aliseda A., Hopfinger EJ., Lasheras JC., KremerDM., Berchielli A., Connolly EK..Atomizat1n of viscous and non-Newtonian liquidsby a coaxial, high-speed gas jet.Experiments and droplet size modeling.1nt.J.Multiphase Flow, 34(2), pp.161-175，2008)也通过实验观察了非牛顿射流的雾化特征。可以发现，在实验研宄中人们只能通过摄像头或追踪粒子捕捉到流体的外观和速度等信息，但是对于流体内部的流动特征乃至非牛顿流体的破碎雾化机理上都没有很直接的体现和分析。这对于了解非牛顿流体内部的流动特征和加深对非牛顿特性的认识是存在很大局限性的。这一方面是由他们实验自身的局限性造成的，另一方面这也是因为目前也还没有有效的实验装置能够测量流体内部各处粘性系数的详细分布情况。
[0004]于是另一部分人开始尝试使用分析和数值方法来研宄非牛顿流体，目前比较多的是通过线性与非线性表面波的发展来研宄非牛顿流体的流动特征。譬如英国伯明翰大学的 Mohsin 等人(Mohsin M., Uddin J., Decent SP..Break-up and droplet format1n inshear thinning compound liquid jets.1MA J.App1.Math., 77 (I), pp.97-108，2012)对表面波的长度和数量进行了分析，美国普渡大学的Suryo等人(Suryo R.，Basaran 0A.，Localdynamics during pinch-off of liquid threads of power law fluids: sealinganalysis and self-similarity.J.Non-Newton.Fluid, 138 (2-3), pp.134-160,2006)也是着重于研宄流体表面波幅最大处的力学特征。但是显而易见，这种分析表面波发展的方法对于牛顿流体同样适用，更重要的是它并不能提供非牛顿流体区别于牛顿流体的关键所在。因此它同样面临着这样的问题:如何体现他们的非牛顿特性。
[0005]对于非牛顿流体而言，如何结合流体的流动特征定量展示和分析它的非牛顿特性变得尤为重要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种非牛顿流体的本地无量纲数分析方法。
[0007]本发明的具体步骤如下:
[0008]I)将非牛顿流体的任意一个物性参数(用α表示)关联到时间与空间分布上，即:
[0009]a = f (t, u, v, w, X，y, z)
[0010]其中，t代表时间，U、V和w代表三个方向的速度分量，X、y和z代表三个方向的坐标位置，f代表函数关系；
[0011]2)对带有本地特征的各物理量进行量纲分析，并在此基础上推导具有广泛应用背景的无量纲数Q，无量纲数Q由若干具有本地特征的物性参数a i.α 2.....a Jl导而得到的，具有以下形式:
[0012]Q = a j.α 2.....α η
[0013]其中，η代表构成无量纲数Q所用到的本地物性参数的个数；
[0014]3)将非牛顿流体的Q值分布投射到流体的流动当中之后，由于Q本身是由带有本地特征的物性参数构成，因此可以对其非牛顿特征进行本地分析。
[0015]为了能够实现定量分析非牛顿流体的内部流动特征，基于数值计算，本发明提出了一种新型的依据流体本地物性参数进行无量纲化处理的方法。所谓本地无量纲数，是指利用局部的而非恒定的物性参数进行无量纲化。对于牛顿流体而言，并不存在本地的概念，因为物性参数(包括密度、粘性、表面张力等)一般不随时间和空间变化。而非牛顿流体的密度、粘性系数和表面张力都时刻随剪切率变化。根据各物理量的量纲以及考虑流体的尺度和速度特征，可以得到特定的无量纲数，再通过分析这些具有本地特征的无量纲数分布来研宄非牛顿流体的内部特征。
[0016]相比于其他分析方法(如表面波长分析，流体形变分析)，本发明能够更深入地考宄到流体内部的非牛顿特性，而不仅是它的宏观表象。因此本发明是对非牛顿流体更细微的一种研宄途径，也是一项具有前瞻性的新发明。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是非牛顿流体接近破裂时内部的某无量纲数分布。
[0018]图2是非牛顿流体射流纵截面内的某无量纲数分布。
[0019]图3是非牛顿流体射流横截面内的某无量纲数分布。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0021]首先，将非牛顿流体的任意一个物性参数(用α表示)关联到时间与空间分布上，即:
[0022]a = f (t, u, v, w, x, y, z)
[0023]因此α就具有了本地特征(t, X，y, z)，这里这里t代表时间，U、V和w代表三个方向的速度分量，x、y和z代表三个方向的坐标位置，f代表函数关系。这里同时考虑了(u, v,w)是因为部分物性参数也关联到速度场，例如流体的粘性系数μ。接着，对带有本地特征的各物理量进行量纲分析，并在此基础上推导具有广泛应用背景的无量纲数。用Q代表无量纲数，它是由若干具有本地特征的物性参数a i.α 2.....a Jl导而得到的，因此具有以下形式:
[0024]Q = CJ1.α 2.....α η
[0025]η代表构成无量纲数Q所用到的本地物性参数的个数。最后，将非牛顿流体的Q值分布投射到流体的流动当中之后，由于Q本身是由带有本地特征的物性参数构成，因此可以对其非牛顿特征进行本地分析。
[0026]本发明与普通的无量纲分析最大的区别在于考虑了诸多本地物性参数，这在非牛顿流体的研宄中是至关重要的。通过分析本地无量纲数的分布情况，以往难以观察到的非牛顿特性也就变得一目了然。在观察流体内部的流动特征时，也可以发现不同空间位置上本地无量纲数的分布也是不同的。这种对于流体内部非牛顿特性的研宄方法可以使人们对非牛顿流体的认识更深入透彻，因此具有广泛的实际应用背景。
[0027]例如图1所示的非牛顿流体接近破裂时的流动特征，如果不考虑本地物性参数，只能得到一个各处恒定的无量纲数，因此无法准确分析导致破裂的诱因和条件。但一旦有了考虑本地物性的无量纲数，即可以发现，流体脖颈处的无量纲数比其他位置的无量纲数要高，而且只有当该无量纲数超过某临界值之后，流体才会发生破裂。因此，这种本地无量纲数的分析方法将从理论上完善对非牛顿流体破裂特征的理解，并对未来的非牛顿研宄具有指导作用。
[0028]在如图2所示的非牛顿液态射流中，假设非牛顿流体刚从喷嘴喷出时具有均性特征，在外界气体的作用下，由于存在两相之间的相互剪切，射流边界层内的本地无量纲数会与射流中心处的本地无量纲数存在较大差别。在宏观上表现为射流表面的变形和涡动比射流中心的要高。这个相互剪切作用在靠近喷嘴出口处最为明显，随着射流深度的增加逐渐衰退。因此本地无量纲数会最终呈现出图2中标记7所示的分布情况。在横截面图3内，本地无量纲数呈环状分布，越靠近射流中心，本地无量纲数的波动范围也越小，显示出更为稳定的流动特性。通过分析本地无量纲数，可以快速得出射流内最不稳定的流动区域，进而分析非牛顿特性引起的射流流动状态变化，这在以往的各种方法中都是不可能实现的。因此本发明的本地无量纲数分析方法也弥补了非牛顿流体研宄中的空白，为分析非牛顿流体特征提供了新的有效途径。
[0029]本发明通过对非牛顿流体的物性参数进行了分析，得到若干能代表流动特征的无量纲数。这些无量纲数综合考虑了流体的粘性系数、密度、表面张力、射流的速度以及射流直径等因素，是研宄流体流动状态的重要参数。图1中标记I是流体的表面，I标记之间所围的区域为流体，外部为气体，标记2是流体的脖颈，标记3是流体内部无量纲数的等值线。图2中标记4是射流的来流方向，标记5是代表该区域内为流体，标记6是流体的表面，标记7是高低无量纲数的分界线，标记8是代表高无量纲数区域。图3中标记9是无量纲数的等值线，标记10是流体的外表面。
[0030]本发明通过对非牛顿流体内部的本地物性参数进行无量纲化处理来分析流体的特征和流动状态。利用局部的而非恒定的物性参数进行无量纲化，功能是能深入到流体内部的非牛顿特性，而不仅仅是它的宏观表象。本发明定量地展示和研宄流体的非牛顿特性，是对非牛顿流体更细微的一种研宄途径。无量纲化的过程中考虑了非牛顿流体的物性参数随时间和剪切率的变化。其优势是能够深入到流体内部的非牛顿特性，而不仅仅是流体的宏观表象，使得以往难以观察到的非牛顿特性变得一目了然。该分析方法也能定量地展示和研宄流体的非牛顿特性，因此是对非牛顿流体更细微的一种研宄途径。
【权利要求】
1.非牛顿流体的本地无量纲数分析方法，其特征在于包括以下步骤: 1)将非牛顿流体的任意一个物性参数α关联到时间与空间分布上，即: a = f (t, u, v, w, X，y, z) 其中，t代表时间，U、V和w代表三个方向的速度分量，X、y和z代表三个方向的坐标位置，f代表函数关系； 2)对带有本地特征的各物理量进行量纲分析，并在此基础上推导无量纲数Q，无量纲数Q由若干具有本地特征的物性参数Ct1* Q2.....α η推导而得到的，具有以下形式:
Q = a j.α 2.....αη 其中，η代表构成无量纲数Q所用到的本地物性参数的个数； 3)将非牛顿流体的Q值分布投射到流体的流动当中之后，由于Q本身是由带有本地特征的物性参数构成，因此可以对其非牛顿特征进行本地分析。
【文档编号】G06F19/00GK104504295SQ201510019738
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月15日 优先权日:2015年1月15日
【发明者】朱呈祥, 尤延铖, 陈荣钱 申请人:厦门大学