同轴旋转圆台间流体流动的动力学研究

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两无限长同轴旋转圆柱间的流体流动称为Taylor-Couette流(简写为TC流)。Taylor涡的产生以及层流转变为湍流的过程是TC流的重要研究对象。而对于两同轴旋转圆台(Conical Cylinders)之间流体的流动(简写为CC流),也已有很多学者对其Taylor涡的形成以及流体状态的转变进行了研究。不过大多数成果是通过实验室观察和数值模拟的方法给出,并未从理论上给出较为准确的估计。本文首先将CC流装置内流体流动满足的N-S方程化为柱坐标下的形式,然后进行无量纲化分析,通过适当的参数选取,分别得到了只有内圆台旋转和内、外圆台同时旋转的无量纲化N-S方程,并分别给出了相关的雷诺数。这样不仅简化了方程,而且将圆台间隙、内外圆台半径、内外圆台旋转角速度等多维数的量统一到一个一维的雷诺数中,使得随后的理论研究和数值模拟更加方便易行。随后本文通过改变上述定义的雷诺数,对上壁随内圆台一起旋转的同轴旋转圆台间流体的流动进行了数值模拟和理论分析,从而研究了上壁旋转边界的作用。从理论上分析了第一个Taylor涡产生的雷诺数范围,与数值模拟达到了很好的吻合;与上壁静止情形进行了压力、速度的对比;通过对同轴旋转圆台装置内充满Taylor涡的个数统计,研究了不同间隙对Taylor涡的影响。最后,通过数值模拟将内圆台旋转与外圆台旋转两种情形进行了对比,分别从压力、速度、剪应力等方面研究了内圆台是较不稳定的情形。
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