液池中粘彈性熱毛細流的流動特性及穩定性機理研究

《液池中粘彈性熱毛細流的流動特性及穩定性機理研究》是胡開鑫為項目負責人，寧波大學為依託單位的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：液池中粘彈性熱毛細流的流動特性及穩定性機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡開鑫
• 依託單位：寧波大學

項目摘要

熱毛細流是由液體表面溫度分布不均勻形成表面張力梯度而驅動的流體運動，廣泛存在於材料焊接、晶體生長等工業領域。其流動穩定性對於產品質量極為重要，長期受人們關注。以往研究中主要採用的是牛頓流體模型。但是某些工藝如塑膠焊接中，融化狀態下的塑膠是聚合物流體，其粘彈性對於流動特性具有重要影響。本項目研究液池中粘彈性熱毛細流的流動特性及穩定性。幾何條件採用矩形和圓柱形液池模型，流體採用UCM、Oldroy-B兩種粘彈性流體模型，傳熱條件採用熱流邊界或溫度邊界；計算基本流場，發展粘彈性熱毛細流的數值模擬和穩定性分析方法，並根據最不穩定模態和能量傳輸關係確定流動失穩的物理機制，說明彈性對穩定性的影響。 本項目以塑膠焊接等工藝為背景，基於理論分析和數值模擬方法，將在熱毛細效應下液池流動失穩的研究開拓到具有重要套用背景的粘彈性流體範疇，揭示並分析彈性效應對熱毛細流動特性及穩定性產生影響的基本規律。

結題摘要

聚合物流體的熱毛細對流廣泛存在於塗膜、液膜乾燥、光刻、噴墨列印和空間站聚合物加工等工程套用中。本項目以聚合物流體的熱毛細對流為研究對象，通過數值計算和線性穩定性分析，發現聚合物的熱毛細液層存在三種失穩模態，分別是斜波、流向波和展向穩態模態。 對於粘彈性熱毛細液層，其失穩的第一種模態的臨界Marangoni數隨著彈性數增長而升高；第二種模態的擾動應力做功在豎直方向上有多次震盪；當彈性數足夠大時，第三種模態成為最不穩定的模態，它的擾動能量來自表面熱毛細力的做功，而由擾動應力耗散。當彈性效應很強時，流體在極低雷諾數下還會出現彈性失穩。 對於剪下稀化流體，線性流的穩定性在中低普朗特數時下降而在大普朗特數時略有上升；回流的穩定性增強，其擾動能量集中在液面，在大普朗特數時出現流向波，而中普朗特數時溫度振盪最大點出現在液層底部。 對於屈服應力流體，流場分成三層，其中間層為屈服區，速度擾動僅出現在最上層而溫度擾動可以在小普朗特數下出現在整個流場，上屈服面會出現擾動，其幅度隨普朗特數增大而迅速減小。 本項研究的成果對於理解非牛頓流體熱毛細的對流失穩機理具有重要的理論價值，對於空間站等微重力條件下聚合物流體液層的流動控制具有重要的套用價值。