基于Darcy-Stokes耦合模型的多孔介质颗粒悬浮液等效黏性系数计算

摘要：

颗粒悬浮液广泛存在于自然界和工程应用领域,其黏性特征对其流动行为有着重要的影响. 本文基于Darcy-Stokes耦合模型,给出了低浓度多孔介质颗粒悬浮液的等效黏性系数的计算公式. 首先求解了一个辅助问题,即低雷诺数条件下线性分布的流场中多孔介质球引起的扰动问题. 自由流区域采用Stokes方程,多孔介质球内部区域采用Darcy方程,界面上则采用质量守恒条件、法向力平衡条件以及Beavers-Joseph条件或Beavers-Joseph-Saffman条件,使用待定系数法推导了自由流和多孔介质区域的流场的解析表达式. 其次,依据流场解析解计算了外边界上由多孔介质球引起的附加热耗散率,确定了低浓度条件下特性黏度与达西数Da和BJBeavers-Joseph系数αBJ的定量关系,结果发现: 特性黏度随着 增加而增加,且αBJ越大,特性黏度增加的幅度也越小; 当10?6≤Da≤10?4时,特性黏度接近于2.5,与经典的爱因斯坦黏性公式相符. 当10?4≤Da≤10?1时,特性黏度快速下降,因而等效黏性系数更加接近于流体本身的黏性. 最后将本模型计算结果,与Darcy-Brinkman模型结合界面剪切应力跳跃条件计算得到的结果进行对比,结果发现当Beavers-Joseph系数和界面应力跳跃系数之和为1时,两类模型在低达西数条件下的结果是几乎是一致的.

关键词：等效黏性系数;多孔介质;悬浮液;达西模型;斯托克斯方程

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分类号：O357.3;O357.2(流体力学)

资助基金：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目2020RC201

在线出版日期：2021-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共8页

页码：1922-1929