非牛顿流体在高Zeta电势下旋转电渗流的数值模拟

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本文主要研究滑移边界条件下,不同形状微管道中非牛顿流体在旋转系统与高Zeta电势下的电渗流问题,分别针对幂律流体、三阶流体及Maxwell流体做了数值模拟研究。首先结合不同非牛顿流体的本构方程、柯西动量方程、Poisson-Boltzmann方程和Navier滑移边界条件建立了模型的控制方程。为了针对高Zeta电势下的电渗流研究,我们在无Debye-Huckel线性近似下求得了电势分布的解析解。最后通过使用有限差分法,对该定解问题建立的偏微分方程组进行了数值求解,结合数值结果图像分析了各相关条件参数对不同非牛顿流体电渗流速度分布的影响。论文分为四个部分,第一章绪论部分介绍了电渗流、旋转系统、非牛顿流体、滑移边界条件、高Zeta电势条件及本文用到的数值模拟方法的基础知识和研究现状。第二章主要研究在滑移边界条件下,旋转微管道中幂律流体的电渗流问题。不均匀形状微管道的实际高度呈周期性波动变化,幂律流体在电场作用下发生移动。关于管道形状变化、双电层厚度、双电层Zeta电势、旋转角速度等参数对不同粘性性质的幂律流体的电渗流速度分布的影响进行了对比分析。特别是对比和分析了在幂律行为指数n>l时,对于较大粘性特征的膨胀性流体,不同双电层参数对流体产生的与假塑性流体不同速度分布影响效果,并进一步探究了滑移边界条件的存在对参数的影响效果的改变。而在通过简化模型条件参数后与相关的经典流动问题进行比较分析过程中,也进一步验证了文中模型的可靠性和准确性。第三章研究了平行均匀微通道中三阶流体的旋转电渗流动。微管道的电渗流在壁面处的轴向速度最大,在中心处最小。滑移边界条件β,电动宽度K与离子能量参数α会使得三阶流体的速度分布振幅更大,且在壁面附近变化最大;而非牛顿参数∧和旋转雷诺数Re的增大会使得流体的振幅变小,微管道中心处速度更接近于0。电动宽度K与离子能量参数α对于旋转电渗流速度的改变集中在壁面附近的双电层,而旋转雷诺数Re的影响主要在微管道中心附近。第四章研究了高Zeta电势下,Maxwell流体的旋转电渗流动。本章主要通过对Maxwell流体的速度分布随时间变化的演化过程的研究,分析了无量纲化的弹性参数、旋转雷诺数、滑移参数及电势相关参数对电渗流瞬态时间和速度振荡变化的影响。Maxwell流体的旋转电渗流需要有限的弛豫时间达到相对稳定的状态,速度在微管道中心处的振荡幅度要大于壁面附近。弹性参数和旋转雷诺数的增大会增加电渗流速度的振荡幅度、振荡的频率及瞬态的时间,电动宽度与离子能量参数的增加则扩大了速度的振荡幅度。最后第五章进行了全文主要结论的总结,同时对非牛顿流体的电渗流研究进行了展望。
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