1.2 国内外研究现状

对于非牛顿流体的流动特性，对流换热特性，多相流动传热与传质特性，不论从数值模 拟方面，还是实验探究，国内外的学者都进行了广泛深入的研究。

对非牛顿流体在管道内的流动特点和输运机理，Panagiotis[6]研究了管道模型为对称 1：2 突扩管时，幂律模型的指数 n 的范围从 0.3 变化到 3，研究结果表明流动从对称到不对称过渡 时的广义临界 Re 数以及相应的无量纲壁面剪切应力与壁面处的无量纲剪切速率线性相关。 Liberatore 等[7]采用流变仪、流体双折射、颗粒跟踪测速仪和小角度中子散射下的流动实验等 方法,对表面活性剂溶液微观结构和流变特性进行了详细的研究。权晓波等[8]研究了圆管内以 及突扩管中幂律指数对湍流流动的影响，研究发现，随着幂律指数的改变，剪切稀化流体和 剪切稠化流体湍流流动呈现不同的变化趋势。

非牛顿流体在日常生活生产应用广泛，在流动过程中通常伴随着传热与传质的发生。如， 化工模具快速注射成型出模过程，为非定常非牛顿流体的快速热交换过程，聚合物熔体在炼 制过程中伴随着加热与冷凝过程，石油开采输运过程中也伴随着流体与换热管壁之间的热交换，对非牛顿流体的传热过程进行研究，对于生产生活具有一定的重要意义。黄善波等[9]研究 了幂律流体管内充分发展的换热分析，在恒定热流和恒定壁温条件下，比较无量纲对流换热 系数 Nu 数，得出随着幂次的增加，Nu 数逐渐减小，并且恒热流条件下 Nu 数要大于恒壁温。 张浩等[10]研究了具有连续移动延伸表面的幂律流体边界层传热问题，研究发现，温度边界层 的分布于不仅与幂律指数有关，还与平板速度比例的参数有关。

在对非牛顿流体进行数值模拟研究方面，由于研究周期相对较短，研究的手段多样，因 此国内外学者开展了广泛研究，Mishra 等 [11]使用商业 CFD 软件进行计算，以研究剪切稀化 幂律模型在 1:16 的大扩展比时的流动模式和临界 Re，他们的研究结果表明，对于幂律指数 n 的较低值，临界 Re 数增加。Oliveira[12]最近的一项研究将这种现象的研究扩展到粘弹性流体， 运用 CFD 软件分析特别是 We 数和浓度对流场和 1:3 扩展比中的压降的影响。Firouzi 等[13]研 究了圆管内的充分发展稳态分层流, 其中一相为牛顿流体, 另一相是满足 Herschel-Bulkley 模型的非牛顿流体，结果表明，非牛顿流体的特性对无量纲速度分布有显著的影响,两相流的 压降与大粘度比关系密切。Anuj[14]等运用 CFD 从流动与传热分析了幂律流体绕流半圆柱体问 题，发现与稳定状态下的牛顿流体相比,剪切稠化流体绕流阻力系数值越高，而剪切稀化流体 的阻力系数越小。袁世伟等[15]提出了一种高精度的有限体积算法，限定表观粘度的计算范围， 分析了幂律流体在圆管内充分发展的层流流动。张敏等[15]针对非牛顿流体的表观粘度随剪切 速率的变化，运用基元中心线法对非线性粘度系数进行离散，研究了幂律流体在偏心管中的 流动及换热情况。

1.3 本文研究的内容

本文对满足幂律模型的非牛顿流体的流动与换热情况进行了数值模拟研究，非牛顿流体 在日常生活及工业生产中应用涉及的领域广泛，通过建立幂律流体在换热环管中流动的数学 物理模型，采用 SIMPLE 算法进行数值模拟，此次课题研究主要内容为以下几方面：

（1）分析和模拟不同幂次对流动与传热特征的影响；

（2）研究不同边界条件等对流动特征的影响；

（3）分析换热环管偏心距的改变对流体的流动和换热特征影响； 在论文第二章节主要介绍了符合非牛顿流体的基本概念，并着重介绍了本次课题研究的符合幂律模型的非牛顿流体相关知识基础，第三章节介绍了数值求解的换热管的基本模型与 边界条件及流体在换热器中流动换热的控制方程，并就表征换热效果强弱的参数作出选择， 第四章节分别就在换热器内，不同幂次的幂律流体，不同入口 Rer 数变化下及具有不同偏心 距的换热环管中，幂律流体的流动与换热特性展开了详细的分析与讨论。通过数值方法揭示其物理本质及规律。通过本课题的研究，今后能够分析不同情况下的非牛顿流体的输运现象， 提高自身的研究和分析能力。