脈動(dòng)作用下波壁管內(nèi)非牛頓流體流動(dòng)特性的研究

張 亮，卞永寧，白敏麗，呂繼組，崔文正，王 鵬

（1.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧大連 116024；2.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

脈動(dòng)作用下波壁管內(nèi)非牛頓流體流動(dòng)特性的研究

張 亮1，卞永寧2，白敏麗1，呂繼組2，崔文正1，王 鵬1

（1.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧大連 116024；2.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

在熱量和質(zhì)量傳遞過程中，流體的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)整個(gè)傳遞過程有著重要的影響，為此，通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)以聚丙烯酰胺（PAM）溶液為代表的非牛頓流體在波壁管內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行壓力差和可視化研究。研究發(fā)現(xiàn)，PAM溶液存在一個(gè)最佳減阻濃度，在該濃度下與牛頓流體相比PAM溶液的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)明顯提前。此外在脈動(dòng)流場(chǎng)下，在一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)，波壁管內(nèi)流體存在明顯的穩(wěn)定流動(dòng)和不穩(wěn)定流動(dòng)兩種結(jié)構(gòu)；相同凈雷諾數(shù)條件下，脈動(dòng)流場(chǎng)下波壁管內(nèi)流體的流動(dòng)混合情況比定常流動(dòng)狀態(tài)下強(qiáng)烈很多，意味著脈動(dòng)流場(chǎng)具有更加優(yōu)越的質(zhì)量傳遞特性。

流動(dòng)可視化；脈動(dòng)流場(chǎng)；非牛頓流體；波壁管；減阻；質(zhì)量傳遞

0 引 言

熱量質(zhì)量傳遞現(xiàn)象在實(shí)際工程中無(wú)處不在，高效低耗的傳熱傳質(zhì)裝置在生物化工，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的換熱器以及反應(yīng)器等的開發(fā)設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。各種二維流路及三維管路作為構(gòu)成這些熱質(zhì)傳遞設(shè)備的基本單元，許多研究者對(duì)牛頓流體在流路內(nèi)的流動(dòng)及傳遞特性進(jìn)行了大量研究。二維流路的研究結(jié)果表明，當(dāng)雷諾數(shù)超過某一臨界值時(shí)出現(xiàn)的不穩(wěn)定流動(dòng)，表現(xiàn)為T－S波的周期性自我維持振動(dòng)狀態(tài)。Pater and Mimic［1］發(fā)現(xiàn)，在凹槽流路內(nèi)，一個(gè)小的流體振動(dòng)即可顯著地增強(qiáng)不穩(wěn)定振幅，特別是當(dāng)疊加的這個(gè)小的流體振動(dòng)頻率與T－S波自然頻率相同時(shí)，甚至在雷諾數(shù)低于發(fā)生自我維持振動(dòng)的臨界值Rec時(shí)也能強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞速率。Greiner［2］通過對(duì)凹槽流路的傳熱實(shí)驗(yàn)研究也獲得了類似的結(jié)論，也就是Ghaddar等［3］提出的“共振強(qiáng)化”現(xiàn)象。Sobey［4－5］用數(shù)值方法對(duì)波壁流路內(nèi)的無(wú)凈流動(dòng)振動(dòng)流做了分析。研究結(jié)果表明，自持振動(dòng)引起了旋渦周期性地形成、增長(zhǎng)、脫落，從而增強(qiáng)了流體混合，強(qiáng)化了熱質(zhì)傳遞效果。Nishimura等［6－7］對(duì)正弦波壁流路內(nèi)流體流動(dòng)及質(zhì)量傳遞的特點(diǎn)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果也表明，在慣性影響支配的流域內(nèi)，通過旋渦運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的快速流體混合作用可獲得更好的質(zhì)量傳遞強(qiáng)化。在對(duì)稱和不對(duì)稱兩種波壁流路中，Nishimura［8］還對(duì)振動(dòng)流進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。結(jié)果表明，在慣性影響支配的流域范圍內(nèi)，不對(duì)稱流路會(huì)獲得更好的質(zhì)量傳遞強(qiáng)化效果。除了二維流路外，Nishimura等［9］還對(duì)三維正弦波壁管路進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)超過某臨界值時(shí)，流路中也會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)行為，但是與二維波壁流路所產(chǎn)生的T－S波不同，三維管路中呈現(xiàn)一種間歇性的而非周期性的流動(dòng)行為，稱之為類似層流和類似湍流的流動(dòng)。

隨著越來(lái)越多的非牛頓流體在實(shí)際工程中的大量出現(xiàn)，一些研究開始關(guān)注非牛頓流體在二維流路和三維管路中的流動(dòng)特性。Yalamanchili等［10］研究了聚合物溶液在波壁槽道中的流動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)，添加聚合物可以降低摩擦因子且波壁槽道的正應(yīng)力隨添加濃度的增加而減??；正應(yīng)力跟波壁通道的波幅呈正比、波長(zhǎng)呈反比。Draad等［11］在直管中研究了非牛頓流體對(duì)轉(zhuǎn)捩的影響，結(jié)果表明，在整體上降低了自然轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)，引起原因尚不清楚，可能與入口發(fā)展段發(fā)展邊界層的粘性不穩(wěn)定效應(yīng)有關(guān)。同時(shí)，聚合物有一種與強(qiáng)制混亂有關(guān)的穩(wěn)定效應(yīng)，使得聚合物的臨界湍流速度比水大。林先成，葛紹巖等［12］對(duì)非牛頓流體在小尺寸方形通道內(nèi)的低雷諾數(shù)受迫對(duì)流傳熱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，流體的粘彈性與傳質(zhì)的相互作用取決于雷諾數(shù)的大小，當(dāng)表觀雷諾數(shù)Re＞11.5時(shí)，非牛頓流體開始強(qiáng)化對(duì)流傳熱，Re越高，傳熱強(qiáng)化程度越大，流體的阻力系數(shù)幾乎不受粘彈性的影響。肖青，王昂［13］等以聚丙烯酰胺水溶液為介質(zhì)，在雷諾數(shù)5×103～7×104的范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了此粘彈性流體在直管充分發(fā)展段和周期性突擴(kuò)突縮通道充分發(fā)展段的流動(dòng)阻力特性，結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)的聚丙烯酰胺溶液在直管中的阻力系數(shù)比純水中的降低40%，而在周期性突擴(kuò)突縮通道中無(wú)明顯的減阻現(xiàn)象。鄭永剛，謝翠麗［14］提出了圓管分層流動(dòng)的新模型，并利用該模型研究了非牛頓流體在圓管中的分層層流流動(dòng)，得出了速度場(chǎng)的解析分布式，最后研究了分層流動(dòng)的阻力規(guī)律，為分層摻氣減阻提供了理論依據(jù)。研究表明，分層摻氣可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效地減阻。

綜上所述，多數(shù)研究?jī)H局限于揭示二維流路及三維直壁管內(nèi)內(nèi)非牛頓流體流變特性，而有關(guān)三維波壁管路內(nèi)的相關(guān)研究則鮮見報(bào)道。三維波壁管路由于其特殊的形狀，使得流動(dòng)更易于產(chǎn)生流動(dòng)分離，破壞邊界層，增強(qiáng)流體混合。本研究通過實(shí)驗(yàn)的手段，揭示非牛頓流體在波壁管路內(nèi)的流動(dòng)及結(jié)構(gòu)特征，闡述其對(duì)質(zhì)量傳遞強(qiáng)化過程帶來(lái)的積極影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究所用脈動(dòng)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由蓄水箱、脈動(dòng)泵、離心泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、測(cè)試段、溢流槽及熱交換器等構(gòu)成，如圖1所示。工作流體由離心泵從蓄水箱中抽取，其凈流量通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制；在進(jìn)入波壁管前，脈動(dòng)泵對(duì)工作流體流速疊加正弦振動(dòng)；在出口端設(shè)置溢流槽以消除重力的影響，從而保證流動(dòng)狀態(tài)由層流向湍流轉(zhuǎn)捩時(shí)不受外界條件的干擾，能夠觀察到穩(wěn)定的流動(dòng)過程；工作流體的溫度由熱交換器維持恒定在25℃。

圖1 脈動(dòng)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Experimental setup for pulsatile flow

圖2 波壁管的尺寸Fig.2 Dimensions of wavy－walled tube

1.1 沿程阻力測(cè)量系統(tǒng)

采用U型管壓差計(jì)對(duì)測(cè)試段整體壓力差進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)將U型管壓差計(jì)的兩端分別與測(cè)試段的入口段和出口段上的測(cè)壓口相連接。實(shí)驗(yàn)工作流體采用PAM（聚丙烯酰胺）溶液和自來(lái)水，指示液采用四氯化碳，利用四氯化碳和工作流體的密度差對(duì)壓力差進(jìn)行測(cè)定。

1.2 脈動(dòng)泵沖程的測(cè)量

脈動(dòng)流場(chǎng)下的實(shí)驗(yàn)研究需要特別設(shè)計(jì)加工的脈動(dòng)裝置來(lái)完成，如圖3所示，步進(jìn)電機(jī)通過齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與其相連的活塞泵中的活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。調(diào)整活塞使其與轉(zhuǎn)盤上不同的螺紋孔相連，就會(huì)得到不同沖程下的測(cè)量結(jié)果。如圖4所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究需要，自加工轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上有16個(gè)螺紋孔不等，每個(gè)孔對(duì)應(yīng)一個(gè)活塞泵沖程s。沖程s即為轉(zhuǎn)盤中心到每個(gè)螺紋孔中心的距離。＋1，＋2，...和－1，－2，...則代表各螺紋孔在轉(zhuǎn)盤上的具體位置，如圖5所示。當(dāng)實(shí)驗(yàn)中需要某個(gè)沖程時(shí)，只要找到轉(zhuǎn)盤上對(duì)應(yīng)的螺紋孔的位置，用螺帽固定并與脈動(dòng)裝置相連，然后由活塞泵帶動(dòng)即可完成不同沖程下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

圖3 脈動(dòng)裝置圖Fig.3 Plusatile device

圖4 轉(zhuǎn)盤上螺紋孔分布情況示意圖Fig.4 Distributions of helical holes for rotation plates

1.3 脈動(dòng)泵的工作原理

一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)脈動(dòng)泵活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5（a）所示。在t／T＝0.0～0.25時(shí)，管內(nèi)的流體處于加速區(qū)間，流速逐漸增大；當(dāng)t／T＝0.25時(shí)，脈動(dòng)流的瞬時(shí)流量達(dá)到一個(gè)峰值（圖5（b））。在t／T＝0.25～0.5時(shí)，流體流動(dòng)處于減速區(qū)間；當(dāng)t／T＝0.5時(shí)，脈動(dòng)流瞬時(shí)流量達(dá)到定常流量值。在t／T＝0.5～0.75時(shí)，流體流速繼續(xù)減小，流量則反向增加，并在t／T＝0.75時(shí)刻達(dá)到反向的峰值。在t／T＝0.75～1.0時(shí)，流體又重新開始加速。這樣活塞便完成了一個(gè)周期的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。脈動(dòng)流的瞬時(shí)流量與一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖5（b）所示。

1.4 脈動(dòng)流場(chǎng)下可視化測(cè)量原理

脈動(dòng)流動(dòng)是實(shí)現(xiàn)低剪切條件下傳遞強(qiáng)化的重要方法，因而本研究利用特殊的Scotch－Yoke裝置，采用定時(shí)刻可視化技術(shù)觀察其復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象從而闡明其流動(dòng)特性。為了詳細(xì)觀察一個(gè)周期內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化情況，在連接齒輪與轉(zhuǎn)盤的中心軸的圓周方向刻上8等分直線，每一條直線對(duì)應(yīng)一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的某個(gè)特殊時(shí)刻，如圖6所示。調(diào)整中心軸上反光螺栓的位置使其對(duì)準(zhǔn)某一等分線便可得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻的可視化照片。流動(dòng)可視化采用鋁塵法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖5 活塞泵活塞的運(yùn)動(dòng)位置及其在脈動(dòng)流時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻Fig.5 Locations of pulsatile piston ＆the corresponding eight moments of pulsatile flow

圖6 定時(shí)刻可視化裝置Fig.6 Timing flow visualization system

圖7 流動(dòng)可視化拍攝系統(tǒng)示意圖Fig.7 Flow visualization system

一個(gè)25W的強(qiáng)力探照燈為第9波段的縱切面提供片光源，如圖7所示。一個(gè)特殊的光驅(qū)照相系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)脈動(dòng)流的可視化。在Scotch－Yoke裝置上用刻線將連接齒輪和圓盤的中軸進(jìn)行8等分，每個(gè)刻線對(duì)應(yīng)于一個(gè)周期的特殊時(shí)刻。則同時(shí)得到此刻的流型。依次調(diào)整反光螺栓對(duì)應(yīng)于軸向圓盤上的不同刻線，就會(huì)捕捉到脈動(dòng)流在任何時(shí)刻的流型。用數(shù)碼相機(jī)Nikon D2H來(lái)獲取可視化圖像，曝光時(shí)間和光圈值的范圍分別為1／6～1／35s和F＝2.5～10。

1.5 參數(shù)定義

實(shí)驗(yàn)在如圖1所示脈動(dòng)系統(tǒng)下完成，沿程阻力與壓力降有關(guān)的摩擦系數(shù)f的計(jì)算公式如下：

不可壓縮的工作流體在循環(huán)系統(tǒng)中、在流量計(jì)的控制下以恒定流量流動(dòng)時(shí)，稱之為凈流量，用Qs表示；脈動(dòng)流，即在定常流基礎(chǔ)上疊加一個(gè)振動(dòng)流，脈動(dòng)流量用下式表示：

式中Qi表示脈動(dòng)流的瞬時(shí)流量，Qo表示振動(dòng)流量的峰值。凈流量由離心泵提供，強(qiáng)加的振動(dòng)流則由活塞泵提供。振動(dòng)流的沖程和頻率的大小通過對(duì)活塞泵的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。振動(dòng)流的峰值用下式表示：

工程信息化，產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化等先進(jìn)生產(chǎn)方式的發(fā)展為工程圖學(xué)的發(fā)展提供了新的契機(jī)。一個(gè)融合了經(jīng)典內(nèi)容與高新技術(shù)的工程圖學(xué)的學(xué)科構(gòu)架正逐步形成。

這里f是脈動(dòng)泵的頻率，s是脈動(dòng)泵的沖程，DP是活塞泵的直徑。

波壁管的尺寸如圖2所示，整個(gè)波壁管軸對(duì)稱，由14個(gè)完整的波段組成，每個(gè)波段波長(zhǎng)λ＝14mm，壁面振幅2a＝2.5mm，最大直徑Dmax＝10mm，最小直徑Dmin＝5mm。

脈動(dòng)流有3個(gè)操作參數(shù)，其中凈雷諾數(shù)：

由于雷諾數(shù)的范圍為0～500，非牛頓流體的濃度較低，且實(shí)驗(yàn)過程中脈動(dòng)流場(chǎng)下的流速不恒定，故此時(shí)的聚丙烯酰胺流動(dòng)粘度取零剪切率下的粘度作為實(shí)驗(yàn)粘度。又由于聚丙烯酰胺溶液的粘度隨放置時(shí)間的增長(zhǎng)而下降［15］，工作流體的表觀粘度在實(shí)驗(yàn)前及時(shí)測(cè)量并應(yīng)用。

這里uS是最大截面處的平均速度，定義為uS＝4QS／（πD2max）。

2 結(jié)果和討論

2.1 壓力差實(shí)驗(yàn)

利用沿程阻力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得波壁管的摩擦阻力系數(shù)，見圖8。給出摩擦系數(shù)f與雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線。根據(jù)曲線的變化趨勢(shì)，水和150wppmPAM均可以分為3個(gè)區(qū)域，對(duì)水來(lái)說(shuō)，在雷諾數(shù)Re＜594的低雷諾數(shù)區(qū)域，摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)以斜率－1遞減，為層流流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)594＜Re＜829時(shí)，摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加經(jīng)過最低點(diǎn)而逐漸上升，為過渡流流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)Re＞829時(shí)，隨雷諾數(shù)的增加摩擦系數(shù)基本沒有變化，為湍流流動(dòng)狀態(tài)。同水一樣，根據(jù)曲線走勢(shì)，150wppmPAM也可以分為層流（Re＜254）、過渡流（254＜Re＜426）、湍流（Re＞426）3個(gè)流動(dòng)狀態(tài)。

圖8 摩擦系數(shù)f與雷諾數(shù)Re的關(guān)系Fig.8 Relationship between overall friction factor fand Reynolds number Re

由圖可知，與水在直管中流動(dòng)相比，水在波壁管中的不穩(wěn)定流域的雷諾數(shù)大大降低，即水在波壁管中更容易達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)；與水在波壁管中的流動(dòng)相比，150wppmPAM過渡流域與湍流流域大大提前，不穩(wěn)定流域的雷諾數(shù)再次大大降低，說(shuō)明150wppmPAM在低雷諾數(shù)下在波壁管中更容易達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)，即150wppmPAM的質(zhì)量傳遞效果要好于水，原因可能是聚丙烯酰胺分子在流動(dòng)時(shí)形成了有利于流動(dòng)方向分子鏈的排列，近壁處流體的粘度急劇下降、剪切變稀造成的。在相同雷諾數(shù)下，150wppmPAM在波壁管中的摩擦系數(shù)均低于其它濃度和水在波壁管中的摩擦系數(shù)，即150wppmPAM是此波壁管的最優(yōu)減阻濃度。

2.2 可視化實(shí)驗(yàn)

圖9（e）為不穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的可視化照片，與上述穩(wěn)定流動(dòng)相比，兩者的流動(dòng)結(jié)構(gòu)有著明顯的不同。在不穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，主流發(fā)生紊亂，不再像穩(wěn)定流動(dòng)一樣完全平行于波壁管的軸線；波壁管最大截面處的旋渦

也因受到劇烈擾動(dòng)而變得不穩(wěn)定，因而邊界層不斷受到破壞。主流和旋渦之間發(fā)生了明顯的流動(dòng)交換，質(zhì)量傳遞速率提高，此時(shí)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)稱之為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，用“－”表示。

表1 P＝0.4，1時(shí)不同雷諾數(shù)下，一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)的流型Table 1 Stable and unstable states of flow patterns during one oscillation cycle at P＝0.4

根據(jù)壓力差實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于150wppmPAM溶液的摩擦系數(shù)比水和其它濃度的PAM溶液要小，并且過渡流、湍流流域與水相比大大提前，故工作流體取150wppmPAM溶液。在層流，過渡流和湍流流域各取一個(gè)雷諾數(shù)ReS＝109，291和496，選取使管內(nèi)流體流量振動(dòng)幅度比較小的振動(dòng)分率P＝0.4，振幅最大值和凈雷諾數(shù)相同的P＝1，取St＝0.13～1.33進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖9給出了在Res＝291，P＝0.4，St＝0.53條件下一個(gè)周期的脈動(dòng)流型，很明顯可以看到在t／T＝0.25～0.625的減速區(qū)域流動(dòng)是不穩(wěn)定的，也就是在這個(gè)區(qū)域有一個(gè)有效的流體混合，而在t／T＝0.75～1.0的加速區(qū)域流動(dòng)的狀態(tài)是穩(wěn)定的，也就是在這個(gè)區(qū)域沒有流體交換。但當(dāng)St數(shù)調(diào)到1.33時(shí)（如表1所示），流動(dòng)狀態(tài)除在t／T＝0.5、0.625外，其余時(shí)刻均保持穩(wěn)定狀態(tài)，由此可見振動(dòng)頻率對(duì)流體混合起著非常重要的作用。所以應(yīng)該存在一個(gè)優(yōu)化的St數(shù)，在這個(gè)St數(shù)下有一個(gè)很好的流動(dòng)混合。因此，在不同St數(shù)下，進(jìn)行了大量的可視化試驗(yàn)，不同St數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過表1的可視化結(jié)果可以得到：（1）隨著雷諾數(shù)的增加，不穩(wěn)定區(qū)域明顯增大；（2）流動(dòng)在加速區(qū)域趨于穩(wěn)定，在減速區(qū)域趨于不穩(wěn)定；（3）不穩(wěn)定區(qū)域隨著St數(shù)的增加逐漸由加速區(qū)域向減速區(qū)域移動(dòng)；（4）隨著P的增加，不穩(wěn)定區(qū)域增加，并且不穩(wěn)定流動(dòng)提前發(fā)生，且在層流區(qū)域出現(xiàn)，可見振動(dòng)分率P對(duì)波壁管的流動(dòng)混合有重要影響；（5）每個(gè)脈動(dòng)條件下都存在一個(gè)最佳的St數(shù)，例如，在Res＝109，P＝1和在Res＝291，P＝1下使不穩(wěn)定區(qū)域最長(zhǎng)的St數(shù)分別為0.8和1.82，稱0.8和1.82就是在當(dāng)時(shí)脈動(dòng)條件下的最佳St數(shù)。

3 結(jié) 論

（1）150wppm PAM能有效減阻且與水相比流動(dòng)更容易達(dá)到不穩(wěn)定，即湍流流動(dòng)特性更為優(yōu)越。

（2）通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Re，P和St數(shù)，均對(duì)非牛頓流體在波壁管內(nèi)的質(zhì)量傳遞有重要影響。即在較大雷諾數(shù)Res，較大振動(dòng)分率P和中等St下質(zhì)量傳遞能到達(dá)最佳效果。

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張 亮（1983－），男，山東淄博人，大連理工大學(xué)博士研究生，從事流體流動(dòng)特性的研究。通訊作者：卞永寧，大連市甘井子區(qū)凌工路2號(hào)，大連理工大學(xué)力學(xué)系。電話：0411－84707330；E－mail：ybian＠dlut.edu.cn

Characteristics of flow of non－Newtonian fluid in a wavy－walled tube for pulsatile flow

ZHANG Liang1，BIAN Yong－ning2，BAI Min－li1，LüJi－zu2，CUI Wen－zheng1，WANG Peng1
（1.School of Energy and Power Engineering，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China；2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Department of Engineering Mechanics，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China）

The flow state has important impact on the heat and mass transfer.Hence pressure differences and flow visualization experiment were carried out in a wavy－walled tube with polyacrylamide solution，which is a kind of typical non－Newtonian fluid，for pulsatile flow field.Compared with water，the moderate concentration of polymer solution can reduce the frictional resistance and natural transition Reynolds number.Stable and unstable states of flow patterns are found in wavy－walled tube during one oscillation cycle.Based on the experimental results，the fluid mixing under the conditions of pulsating flow is better than under the conditions of steady flow at the same net Reynolds number，which means that mass transfer have been enhanced significantly under the conditions of pulsating flow.

flow visualization；pulsatile flow field；non－Newtonian fluid；wavy－walled tube；drag reduction；mass transfer

O373

A

1672－9897（2011）06－0059－07

2010－11－10；

2011－06－21

國(guó)家自然科學(xué)基金（11172059，50576008）；工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（S09203）