Nghiên cứu đặc tính lưu biến của chất lưu phi newton

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH LƯU BIẾN CỦA CHẤT LƯU PHI NEWTON Mã số: T2021-06-03 Chủ nhiệm đề tài: ThS Bùi Mai Cường Đà Nẵng, 9/2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH LƯU BIẾN CỦA CHẤT LƯU PHI NEWTON Mã số: T2021-06-03 Xác nhận quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI STT Họ tên Vai trị Đơn vị cơng tác Khoa Cơ khí, Trường ThS Bùi Mai Cường Chủ nhiệm ĐH Sư phạm Kỹ Thuật - Đại học Đà Nẵng Khoa Cơ khí, Trường TS Hồ Trần Anh Ngọc Thành viên ĐH Sư phạm Kỹ Thuật - Đại học Đà Nẵng Khoa Cơ khí, Trường TS Nguyễn Xuân Bảo Thành viên ĐH Sư phạm Kỹ Thuật - Đại học Đà Nẵng Khoa Cơ khí, Trường ThS Nguyễn Thành Sơn Thành viên ĐH Sư phạm Kỹ Thuật - Đại học Đà Nẵng MỤC LỤC DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .vi MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯU CHẤT PHI NEWTON 1.1 Định nghĩa chất lưu phi Newton 1.1.1 Chất lưu Newton 1.1.2 Chất lưu phi Newton .5 1.2 Ứng dụng chất lưu phi Newton .8 1.2.1 Dòng chảy tự nhiên 1.2.2 Ứng dụng sản xuất công nghiệp 10 1.2.3 Ứng dụng ngành công nghệ thực phẩm .11 1.2.4 Ứng dụng ngành giáo dục 12 1.2.5 Ứng dụng ngành y tế 13 1.2.6 Ứng dụng ngành giao thông vận tải 13 1.3 Tổng quan nghiên cứu liên quan 14 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA CÁC ĐẶC TÍNH LƯU BIẾN 19 2.1 Phương trình dịng chảy 19 2.2 Mơ hình hóa đặc tính lưu biến 19 2.2.1 Độ nhớt khối lượng riêng .19 2.2.2 Mơ hình dẻo Bingham 21 2.2.3 Mơ hình tổng qt Herschel-Bulkley 21 2.2.4 Phương pháp quy hóa Papanastasiou .23 2.3 Kiểm tra xác nhận mơ hình 27 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CHẤT LƯU PHI NEWTON 31 3.1 Mơ dòng chảy chất lưu Newton 31 3.1.1 Thiết lập mô 31 3.1.2 Kết 33 3.2 Mơ dịng chảy chất lưu phi Newton 35 3.2.1 Thiết lập mô 35 3.2.2 Kết 36 3.3 So sánh phân tích 37 3.4 Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng phi Newton 45 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 MINH CHỨNG 1: BÀI BÁO SCIE, Q1 60 MINH CHỨNG 2: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH LƯU BIẾN 61 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Herschel-Bulkley (HB) Số Reynolds (Re) Số Bingham (Bn) Số Oldroyd (Od) Mô hình Herschel-Bulkley-Papanastasiou (HBP) Mơ hình Krieger-Dougherty (KD) Phương pháp thể tích hữu hạn (PPTTHH) DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mối tương quan tuyến tính ứng suất kéo tốc độ biến dạng chất lưu Newton .4 Hình 1.2 Phân loại chất lưu phi Newton Hình 1.3 Hỗn hợp bột ngô nước – Chất lưu phi Newton biến dạng chảy rắn Hình 1.4 Dầu silicon – Chất lưu phi Newton biến dạng chảy lỏng Hình 1.5 Sốt Mayonnaise – Chất lưu phi Newton có ứng suất tới hạn Hình 1.6 Dịng chảy sạt lở có tính chất lưu biến ứng suất tới hạn Hình 1.7 Dịng chảy dung nham có tính chất lưu biến biến dạng chảy rắn Hình 1.8 Cát lún có tính chất lưu biến biến dạng chảy mỏng Hình 1.9 Chất lỏng từ trường (MRF): (a) trước có từ trường (b) sau có từ trường 10 Hình 1.10 Giày giảm sốc sử dụng chất lưu phi Newton có tính biến dạng chảy rắn 11 Hình 1.11 Kim loại nóng chảy – chất lưu phi Newton có tính biến dạng chảy rắn 11 Hình 1.12 Góc rót tương cà hồn hảo 12 Hình 1.13 Chất lưu phi Newton sử dụng ngành giáo dục 12 Hình 1.14 Trái tim nhân tạo tạo chất lưu lưu biến 13 Hình 1.15 Gờ giảm tốc tạo chất lưu phi Newton 14 Hình 2.1 Đường cong đặc tính lưu biến Carbopol gel thể mơ hình Herschel-Bulkley (n=0.4 – biến dạng chảy dẻo) 22 Hình 2.2 Vùng chưa tới hạn vùng rắn với giá trị m nhỏ (a) giá trị m lớn (b) 24 Hình 2.3 Ảnh hưởng hệ số quy hóa m đến đường cong tốc độ biến dạng - ứng suất cắt 25 Hình 2.4 So sánh đường cong tốc độ biến dạng - ứng suất cắt từ thực nghiệm mơ hình hóa với giá trị m khác Lưu chất sử dụng Carbopol Gel (Mossaz, 2012) .26 Hình 2.5 Kiểm chứng mơ hình - So sánh kết mơ hình thái dịng Carbopol gel qua trụ trịn (a) phương pháp số (b) phương pháp thực nghiệm Re=22 Od=0.25 .28 Hình 2.6 Kiểm chứng mơ hình - So sánh kết đường dòng Carbopol gel qua trụ tròn (a) phương pháp số (b) phương pháp thực nghiệm Re=33 Od=0.22 28 Hình 2.7 Kiểm chứng mơ hình - So sánh kết mơ hình thái dịng Carbopol gel qua trụ trịn (a) phương pháp số (b) phương pháp thực nghiệm Re=35 Od=0.34 .29 Hình 2.8 Kiểm chứng mơ hình - So sánh kết mơ hình thái dịng Carbopol gel qua trụ tròn (a) phương pháp số (b) phương pháp thực nghiệm Re=45 Od=0.32 .30 Hình 3.1 Khoang chứa chất lưu có hình dạng khác .31 Hình 3.2 Lưới tính tốn điều kiện biên sử dụng cho mơ 32 Hình 3.3 (a) Phân bố vận tốc x đường tâm đứng khoang (b) Phân bố vận tốc y đường tâm ngang khoang với độ phân giải lưới khác Chất lưu sử dụng chất lưu Newton Re=100 33 Hình 3.4 So sánh kết mô kết từ thực nghiệm Mochizuki cộng (Mossaz, 2012) (a) Re = 100 (b) Re = 400 33 Hình 3.5 So sánh kết mơ nghiên cứu Ghia cộng (Ghia, 1982): (a) Phân bố vận tốc x dọc đường tâm đứng khoang (b) phân bố vận tốc y dọc đường tâm ngang khoang 34 Hình 3.6 Đường biên tới hạn trường dịng chảy phi Newton Re = 0.001 tạo mật độ lưới khác .35 Hình 3.7 Sự hình thành vùng chưa tới hạn/vùng rắn trường dòng chảy huyền phù kaolinite Re~0 Bn=2-50 .36 Hình 3.8 Phân bố vận tốc x dọc đường tâm đứng khoang dòng chảy huyền phù kaolinite Re~0 Bn=2-100 37 Hình 3.9 Phân bố độ nhớt chất lưu Newton huyền phù kaolinite với nồng độ khác 38 Hình 3.10 Trường vector vận tốc huyền phù kaolinite 15wt% 39 Hình 3.11 Định nghĩa xốy trường dịng chảy 40 Hình 3.12 Vị trí tâm xốy với giá trị Bn khác .40 Hình 3.13 Vận tốc x dọc theo đường tâm đứng (T) vận tốc y dọc đường tâm ngang (P) huyền phù với nồng độ kaolinite khác 42 Hình 3.14 Phân bố vận tốc x dọc theo đường tâm đứng khoang với giá trị Re khác .43 Hình 3.15 Phân bố vận tốc y dọc theo đường tâm ngang khoang với giá trị Re khác .43 Hình 3.16 Sự thay đổi giá trị cực đại cực tiểu vận tốc dọc đường tâm khoang với giá trị nồng độ kaolinite khác 44 Hình 3.17 Trường phân bố vận tốc đường dịng dịng chảy polymer khoang vng Od=0-50 45 Hình 3.18 Sự hình thành xốy sơ cấp góc trái khoang trường dòng chảy polymer trường hợp khoang vuông với giá trị Od khác nhau46 Hình 3.19 Trường độ nhớt dịng chảy chất lưu polymer khoang vuông với giá trị Od khác .47 Hình 3.20 Sự hình thành vùng rắn/vùng chưa tới hạn (màu đỏ) trường dòng chảy chất lưu polymer với giá trị Od khác 48 Hình 3.21 Hình thái dịng chảy chất lưu polymer khoang hình chữ nhật với hệ số cạnh khác với giá trị Od=1 49 Hình 3.22 Hình thái dịng chảy chất lưu polymer khoang hình chữ nhật với hệ số cạnh khác với giá trị Od=10 49 Hình 3.23 Sự biến đổi vùng rắn tĩnh với giá trị chiều rộng khoang khác 50 Hình 3.24 Định nghĩa chiều cao đặc tính Hs vùng rắn tĩnh 51 Hình 3.25 Hình thái dịng chảy chất lưu polymer khoang nghiêng với giá trị α khác Od = 52 Hình 3.26 Cấu trúc vùng xốy góc trái khoang tạo dịng chảy chất lưu polymer khoang nghiêng với giá trị α khác Od = 53 10