（制冷及低溫工程專業(yè)論文）冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)過程研究.pdf

碩士論文 冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)過程研究 摘要 材料在加工、使用過程中會受到力和熱的作用，從而在材料內(nèi)部或表面產(chǎn)生裂隙， 為避免裂隙發(fā)展影響材料的使用和壽命，需要進行修復(fù)。在許多場合人工修復(fù)成本太 高甚至無法進行，需要材料能夠自修復(fù)。目前研究較多的是把修復(fù)劑封裝在膠囊或空 心纖維內(nèi)后埋置入材料內(nèi)，屬于一次性完全被動式自修復(fù)方案。采用外部泵驅(qū)動的連 續(xù)自修復(fù)方案屬于連續(xù)半被動式自修復(fù)方案。目前對連續(xù)自修復(fù)過程的研究有限，主 要局限于牛頓流體，實際使用的修復(fù)劑性質(zhì)復(fù)雜，多為非牛頓流體，本文將對非牛頓 流體特別是冪律流體的連續(xù)自修復(fù)過程特性進行深入研究。 首先，作者對正交自修復(fù)網(wǎng)狀流道結(jié)構(gòu)進行了研究。在給定流量下，采用一維層 流模型，以流阻為優(yōu)化目標，對恒定流道體積下的雙尺度、多尺度流道結(jié)構(gòu)進行了優(yōu) 化；以流道體積、流阻為優(yōu)化目標，對多尺度流道結(jié)構(gòu)進行了遺傳算法優(yōu)化；同時對 典型的雙尺度結(jié)構(gòu)進行了三維數(shù)值模擬和實驗。結(jié)果表明：流量一定時，雙尺度結(jié)構(gòu) 降低了流阻，冪律指數(shù)越大，減阻效果越顯著；典型的三維數(shù)值模擬結(jié)果與一維計算 結(jié)果一致，實驗結(jié)果也證實了雙尺度結(jié)構(gòu)能夠降低流阻；流量一定時，增加尺度數(shù)能 進一步降低流阻；雙目標遺傳優(yōu)化結(jié)果表明，冪律指數(shù)不同時，p a r e t o 前沿不同，在 設(shè)計流道結(jié)構(gòu)時可以參考遺傳優(yōu)化結(jié)果初選流道體積，然后再進行單目標優(yōu)化。 其次，針對帶有備用泵的連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)進行了雙目標遺傳優(yōu)化。結(jié)果 表明：系統(tǒng)功耗會隨著系統(tǒng)質(zhì)量的減小而增大；在一定范圍內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)能有效降低 功耗，當自修復(fù)系統(tǒng)質(zhì)量過大或過小時，優(yōu)化結(jié)構(gòu)降低功耗的效果不明顯；流體性質(zhì) ( 如冪律指數(shù)、稠度系數(shù)) ，會影響p a r e t o 前沿，多目標遺傳算法優(yōu)化結(jié)果不同；自 修復(fù)系統(tǒng)質(zhì)量一定時，提高系統(tǒng)可靠性( 如增加循環(huán)泵數(shù)量) 將導(dǎo)致維管質(zhì)量減小， 系統(tǒng)功耗增大，多尺度優(yōu)化結(jié)果發(fā)生變化。 最后，對表面裂隙修復(fù)劑充注及鋪展流動進行了三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明，剪切 稀化流體在裂隙的壁面及拐角處鋪展較快，相界面梯度較大；冪律指數(shù)、稠度系數(shù)都 小的流體充注時有氣泡產(chǎn)生，并且裂隙還未充滿修復(fù)劑，材料表面鋪展過程即進行； 增大壓力的流動過程類似冪律指數(shù)、稠度系數(shù)都小的流體的流動過程，會產(chǎn)生氣泡及 鋪展過程的較早進行。典型實驗結(jié)果( 冪律指數(shù)0 3 7 0 3 ，稠度系數(shù)4 3 3 9 ) 與模擬結(jié) 果定性一致；對丙烯酸酯修復(fù)劑進行了流動、修復(fù)固化過程解耦模擬，得到了動態(tài)流 場和固化度時變曲線，模擬結(jié)果表明固化速度遠小于充注鋪展過程速度，將流動、固 化過程解耦計算是合理的。 本文工作可為優(yōu)化連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計特別是流道設(shè)計提供有益參考。 關(guān)鍵詞：自修復(fù)，冪律流體，多尺度，優(yōu)化，流阻 a b s t r a c t 碩士論文 a b s t r a c t m a t e r i a li ss u s c e p t i b l et od a m a g ei n d u c e db ym e c h a n i c a l ，t h e r m a li m p a c t s t l l i sc o u l d l e a dt ot h ef o r m a t i o no fc r a c k sw i t h i no ri nt h es u r f a c eo fi t 1 1 1 ep r e s e n c eo fc r a c k sc a l l d e t e r i o r a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a l i ti sn e c e s s a r yt or e p a i rt h ec r a c k st om a i n t a i n t h ew o r k i n gl i f ea n ds a f e t yo ft h em a t e r i a l u n d e rm a n yc o n d i t i o n s ，a c t i v ei n t e r v e n t i o ni s d i f f i c u l to re v e ni m p o s s i b l e i nr e s p o n s e ，s e l f - r e p a i r i n gm a t e r i a lh a sb e e np r o p o s e da n d r e s e a r c h e d a tp r e s e n t ，s e l f - h e a l i n gm a t e r i a l sw i 也m i c r o c a p s u l e si st h ef o c u so fr e s e a r c h b u tt h ef i l l i n go fc r a c k sw i t hh e a l i n ga g e n ti sao n e - t i m ep r o c e s s 1 1 1 ef u t u r ed e v e l o p m e n t c a l l sf o rt h es e l f - r e p a i r i n gt e c h n i q u eb a s e do nt h eu s eo fn e t w o r k so fh e a l i n ga g e n t u pt o n o w , i n v e s t i g a t i o n so nt h ec o n t i n u o u ss e l f - r e p a i r i n gt e c h n i q u ef o c u so nn e w t o n i a nf l u i d b u t m o s tr e a lh e a l i n ga g e n t sa r en o n - n e w t o n i a nf l u i d s i nt h i st h e s i sc o n t i n u o u s s e l f - r e p a i r i n gp r o c e s sb a s e d o nt h e p o w e r l a wf l u i d h e a l i n ga g e n t ( o n es p e c i a l n o n - n e w t o n i a nf l u i d ) w i l lb es t u d i e d f i r s t l y , t h eo r t h o g o n a lf l o w i n g n e t w o r ks t r u c t u r ei sc o n s i d e r e d b a s e do n o n e - d i m e n s i o n a ll a m i n a rf l o wm o d e l ，s i n g l eo b j e c t o p t i m i z a t i o no fr e d u c i n gf l o w r e s i s t a n c ef o rt w os c a l e sa n dm u l t is c a l e sf l o w i n gs t r u c t u r e si sp e r f o r m e dw h e nf l u i d v o l u m ea n dm a s sf l o wr a t ea r es p e c i f i e d t w o - o b j e c tg e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o no f r e d u c i n gb o t hf l o wr e s i s t a n c ea n df l u i dv o l u m ef o rm u l t i s c a l ef l o w i n gs t r u c t u r e si sf u r t h e r c a r d e do u tw h e nm a s sf l o wr a t ei sc o n s t a n t n l r e e d i m e n s i o n a ln u m e r a ls i m u l a t i o na n d t y p i c a le x p e r i r n e n t sa r ea l s op e r f o r m e df o ro n et w o s c a l es t r u c t u r e 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a t t w o s c a l es t r u c t u r ec a nr e d u c ef l o wr e s i s t a n c eu n d e ri n v a r i a b l em a s sf l o wr a t ea n ds u c h e f f e c ti sm o r en o t a b l ew h e nt h ep o w e rl a wi n d e xi n c r e a s e s o n e - d i m e n s i o n a lc a l c u l a t i o n a n dt h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ev e r yw e l l b e s i d e s ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s u p p o r tt h er e d u c i n gr e s i s t a n c ee f f e c to ft h eo p t i m i z e dt w o s c a l es t r u c t u r e s i nt h ep r o c e s s o fd e s i g n i n go fc o n t i n u o u ss e l f - h e a l i n gf l o w i n gs t r u c t u r e s ，i ti ss u g g e s t e dt h a tt h ef l u i d v o l u m eb es e l e c t e df i r s tb a s e do nt h et w o - o b j e c tg e n e t i co p t i m i z a t i o nr e s u l t sa n dt h e n s i n g l eo b j e c to p t i m i z a t i o nb e f u r t h e r p e r f o r m e d s e c o n d l y , t h ea u t h o rd o e st h et w o - o b j e c tg e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o nf o rr e d u c i n g b o t hs y s t e mm a s sa n dp u m pp o w e ro fc o n t i n u o u ss e l f - r e p a i r i n gs y s t e mw i t ha l t e r n a t i v e p u m p s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z e ds t r u c t u r ec a l lr e d u c ep o w e re f f e c t i v e l yu n d e r m o s tc o n d i t i o n s n ec h a r a c t e r i s t i c so ff l u i d sc a ni n f l u e n c ep a r e t oo p t i m a lf r o n tg r e a t l ya n d t h ei n c r e a s eo fs y s t e m sr e l i a b i l i t y ( e g i n c r e a s et h en u m b e ro fp u m p s ) c a u s e st h ei n c r e a s e 碩士論文冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)過程研究 o fp o w e rc o n s u m p t i o n f i n a l l y , t h ef i l l i n go f c r a c k sa n dt h es p r e a d i n go nm a t e r i a ls u r f a c ea r es i m u l a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ef l u i dw i t hl a r g ep o w e rl a wi n d e xa n dc o n s i s t e n c yc o e f f i c i e n th a sg o o d f i l l i n ge f f e c t t h es i m u l a t i o no ff l o w i n ga n dc u r i n gw i 也a c r y l a t ea st h eh e a l i n ga g e n t s h o w st h a ti ti sr e a s o n a b l et od e c o u p l et h ef l o w i n gp r o c e s sa n dt h ec u r i n gp r o c e s s t h er e s u l t sc a np r o v i d eg o o dr e f e r e n c e sf o rc o n t i n u o u ss e l f - r e p a i r i n gs y s t e md e s i g n e s p e c i a l l yf o rt h eo p t i m i z a t i o no ff l u i df l o wp a t h s k e y w o r d s ：s e l f - r e p a i r i n g , p o w e rl o wf l u i d ，m u l t i s c a l e ，o p t i m i z a t i o n , f l o wr e s i s t a n c e i i i 聲明尸明 本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果，盡我所知，在本學(xué) 位論文中，除了加以標注和致謝的部分外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或公布 過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的 材料。與我一同工作的同事對本學(xué)位論文做出的貢獻均已在論文中作了明 確的說明。 研究生簽名：綻兵 p 年口f ) l2 1 日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或上 網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容，可以向有關(guān)部門或機構(gòu)送交并授權(quán) 其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容。對于保密論文， 按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。 ) o l o 年礦鄉(xiāng)月工f 日 碩士論文冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)過程研究 1 緒論 1 1 課題背景 材料在加工、使用過程中不可避免會受到壓力、拉力、沖擊、扭曲等力和熱的作 用，從而在材料內(nèi)部或表面產(chǎn)生裂縫，人們通過檢修發(fā)現(xiàn)裂縫進行修復(fù)，但時效性差， 有時修復(fù)成本太高或不可能，這時裂隙會擴大，影響材料使用性能及壽命，甚至產(chǎn)生 災(zāi)難性后果。自修復(fù)正是基于這種考慮被提出和發(fā)展的。所謂自修復(fù)，它是模仿生物 在損傷情況下自動分泌物質(zhì)彌合傷口的機制，當材料出現(xiàn)損傷，在沒有人工干預(yù)的情 況下，實現(xiàn)材料損傷的修復(fù)。自修復(fù)概念的提出為材料的修復(fù)提供了理想途徑【l 】。 自修復(fù)系統(tǒng)的工作涉及修復(fù)劑的流動充注、修復(fù)等諸多環(huán)節(jié)，其中尚有許多問題 缺乏研究，本課題即是在此背景下展開的。 1 2 自修復(fù)材料研究現(xiàn)狀 目前自修復(fù)材料的研究集中在自修復(fù)混凝土、自修復(fù)復(fù)合材料等方面，自修復(fù)主 要分為( 1 ) 纖維法；( 2 ) 微膠囊法。 將膠囊或空芯纖維植入材料中，一旦材料在裂縫作用下發(fā)生開裂，部分膠囊或纖 維破裂，修復(fù)劑流出，促使材料內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而自動愈合【2 】，如圖1 1 、1 2 ，或 者釋放出的修復(fù)劑遇到催化劑，發(fā)生固化反應(yīng)，彌合裂縫，如圖1 3 。 圖1 1內(nèi)置中空纖維自修復(fù)材料示意酬2 】 園圈。圈 ( 1 )( 2 ) 【3 ) ( 1 ) 內(nèi)含修復(fù)劑的膠囊分散于材料內(nèi)；( 2 ) 發(fā)生裂縫后使膠囊破裂，修復(fù)劑或催化劑等流出；( 3 ) 流 出的修復(fù)劑來修復(fù)裂縫或者催化劑促使材料內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而自動愈合。 圖1 2 內(nèi)置膠囊仿生自修復(fù)機理示意酣2 】 詒i 辜鏟0；o 礦。o ：毒一 ，”。一 厶。6 1 ，一 ， 屋墨，矗 y0 1 1 v ， ( a ) 內(nèi)含修復(fù)劑的微膠囊和催化劑分散于材料內(nèi)：帕) 裂縫刺破微膠囊修復(fù)劑從微膠囊中流出： ( c ) 修復(fù)荊與催化劑反應(yīng)，修復(fù)裂縫。 圉l 3 內(nèi)置膠囊仿生自修復(fù)機理示意幽 ” 1 2 1 自修復(fù)混凝土 1 9 9 7 年美國伊利諾斯大學(xué)的d 一4 研究了一種預(yù)埋玻璃管的能提高抗震性能的自 修復(fù)混凝土。成新元、韋灼彬”蚺分別包覆聚氮酯膠粘劑和氰凝膠膠粘劑的玻璃管埋 入自密實混凝土，并做成簡支粱試件進行三點彎曲試驗。通過比較修復(fù)前后材料性能， 研究了修復(fù)劑種類、玻璃管尺寸、數(shù)量、位置、埋入方式對修復(fù)的影響。張英杰、吳 瑾叫以普通混凝土為基材，將環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯膠粘劑注入空心玻璃管并埋植入基 材。通過抗壓實驗比較不同修復(fù)劑、不同玻璃管埋植位置的修復(fù)效果。結(jié)果表明。采 用環(huán)氧樹脂膠粘劑，將玻璃管埋植在可能開裂部位的自修復(fù)效果較好。日本茨城大學(xué) 的沼尾達彌等測試了不同纖維尺寸、摻量和不同水扶比的混凝土做了實驗。實驗結(jié) 果表明：外徑為3 m m 和5 m m ，摻3 和5 的玻璃纖維，對混凝土抗壓強度的影響 不大，增大水灰比混凝土的抗壓強度降低i ”。 楊紅等對光纖自修復(fù)混凝土進行了研究口i 。當材料在外界影響下產(chǎn)生損傷和裂縫 時，會引起光纖中光在相位、波長等方面的變化，通過對光的檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)損傷的 自監(jiān)測和自診斷，然后注入修復(fù)劑修復(fù)裂縫。 對于充分攪拌的大體積混凝士構(gòu)件，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的歐進萍等 9 1 忽略重力效 應(yīng)、邊壁效應(yīng)，采用概率法建立了描述修復(fù)膠囊在混凝土中的分布和取向函數(shù)，用以 估計摻入混凝土能發(fā)揮作用的膠囊數(shù)；認為應(yīng)以混凝土的“臨界應(yīng)力”作為使膠囊破 裂的破壞應(yīng)力設(shè)計膠囊的尺寸、壁厚：并采用a n s y s 建模，分析修復(fù)膠囊的受力特 碩士論文冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)過程研究 征。 文獻 1 0 分析了不同長度、管徑、不同體積摻量的玻璃膠囊對混凝土抗壓強度的 影響。經(jīng)比較，確定膠囊應(yīng)長2 5 3 0 m r n ，外徑約5 5 r a m ，3 左右的摻量較為合適。 其他自修復(fù)混凝土還包括無修復(fù)劑的形狀記憶合金自修復(fù)混凝土，通過合金的變 形產(chǎn)生修復(fù)效果。陶寶祺等【l l 】在混凝土中埋入光纖和經(jīng)過預(yù)拉的合金絲實現(xiàn)自診斷、 自修復(fù)。當光纖檢測出有需要修復(fù)的裂縫時發(fā)出指令，通電加熱記憶合金絲使其收縮， 從而閉合裂縫，實現(xiàn)混凝土的自修復(fù)。 1 2 2 自修復(fù)復(fù)合材料 1 9 9 6 年d r y 等【1 2 】在研究聚合物基復(fù)合材料時，將包覆有修復(fù)劑的纖維埋入基體， 當材料受力產(chǎn)生裂縫，纖維管破裂，釋放出修復(fù)劑進行材料裂隙的自修復(fù)過程。 圖1 4 埋入纖維包覆的修復(fù)劑的復(fù)合材料 1 2 1 m o t u k u 1 3 】、b l e a y t l 4 】等集中研究了纖維管在基體材料中的分布對修復(fù)的影響。 趙小鵬等【”】將裝填有白乳膠的玻璃細管埋入環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料并做三點彎曲實 驗，結(jié)果表明，修復(fù)劑能在細管破裂后自動流入裂縫并粘合，修復(fù)后平均強度可恢復(fù) 至8 4 。 w h i t e 掣1 6 2 5 】提出了種微膠囊自修復(fù)系統(tǒng)如圖1 3 所示，微膠囊壁材選用脲醛 樹脂，除了在復(fù)合材料基體中埋入包覆有修復(fù)單體二環(huán)戊二烯( d c p d ) 的微膠囊，同 時在基體中摻入能使d c p d 聚合的催化劑g r u b b s 。在復(fù)合材料產(chǎn)生的裂縫刺破微膠 囊壁面后，修復(fù)單體充注到微裂縫裂隙，當裂縫接觸到催化劑，充滿裂縫的修復(fù)劑則 在催化劑作用下發(fā)生聚合，達到修復(fù)效果：k e s s l e r 等人【2 6 。2 刀的實驗驗證了w h i t e 等 人的設(shè)想，證明了其設(shè)計的可行性，并對不同溫度下修復(fù)體系的修復(fù)效果進行了對比 研究。 b r o w n 等【2 8 】研究了催化劑粒徑、濃度、分布對自修復(fù)效果的影響。結(jié)果表明，催 化劑顆粒直徑為1 8 0 一- 3 5 5 l a1 1 1 時，對裂縫的修復(fù)效率最高，而催化劑濃度的增加一 3 i 論i 方面增加了修復(fù)效率，但同時會逐漸影響聚臺物材料的強度。 r u l e 等對圖13 體系作了改進。先在g r u b b s 催化劑表面裹上石蠟，然后再分 散到基體中，如圖15 所示。這樣處理過后，催化斛得到了更好的分散，提高了催化 荊利用率。 a b 國1 5 自修復(fù)體系：a ) 未保護的g r u b b s 催化劑i b ) 塒石蠟包摧g r u b b s 催化劑【2 q 方征平等”o 圳研究的微膠囊、催化劑體系，以兼有多個硅氯鍵和硅乙烯鍵的低 聚有機硅氧烷為修復(fù)劑，催化刑采用負載型鉑基催化劑，法體系的修復(fù)反應(yīng)能在常溫 常壓下快速進行。張恒等口2 圳對微膠囊壁材與基體材料斷裂韌性的匹配關(guān)系進行了 研究。2 0 0 6 年，c h o 等p 4 增次將催化劑包覆在微膠囊中，與修復(fù)劑一起分散在復(fù)合材 料基體中，研究了該系統(tǒng)在空氣和水下的修復(fù)效糶。m a u l d i n 等p “同時考慮修復(fù)速度、 修復(fù)：紅，將d c p d 的兩種異構(gòu)體，即反應(yīng)快的內(nèi)式( 橋環(huán)式) 異構(gòu)體e n d o d c p d ；f d 修復(fù)效 率高的外式( 掛環(huán)式) 異構(gòu)體e x o d c p d 按6 0 ；4 0 混合，取得了最佳的修復(fù)效果。 綜上可見，自修復(fù)技術(shù)還處于起步階段，其中以微膠囊方法最普遍，這種方法的 修復(fù)劑封裝在膠囊里，不能及時更新和補充，有一定缺陷。 1 2 3 連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng) 前述的微膠囊法、纖維是被動式自修復(fù)，無需任何外界干預(yù)，但不能連續(xù)多次修 復(fù)不能長期連續(xù)工作。文獻 3 6 提出了一種連續(xù)自修復(fù)方案，即修復(fù)劑在材料內(nèi)的 預(yù)制流道中強制循環(huán)流動，當裂隙刺破流道擘面后，修復(fù)荊注入裂隙實現(xiàn)自修復(fù)。此 方案需外界提供動力克服流動阻力，是一種半被動式自修復(fù)方案，該文時借助于構(gòu) 形理論”( c o n s h m c t a l 吐l f y ) 對牛頓流體流道優(yōu)化進行了i ；| 八研究。實際應(yīng)用中可能 使用的修復(fù)劑多具有非牛頓特性其流動充注和修復(fù)過程尚待深入研究。 碩士論文冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)過程研究 文獻 3 8 驗證了連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)方案的可行性，分析了閉式系統(tǒng)雙尺度流道結(jié)構(gòu) 非穩(wěn)態(tài)流動特性，以水為工質(zhì)，對一種雙尺度結(jié)構(gòu)進行了初步實驗，數(shù)值模擬了一種 雙尺度結(jié)構(gòu)在中心流入，周邊流出條件下的流動及換熱特性。本文的工作是在文獻 3 6 - 3 s 的基礎(chǔ)上展開的。 1 3 本文主要工作 本文主要工作如下： ( 1 ) 為防止裂縫的進一步發(fā)展，好的自修復(fù)系統(tǒng)應(yīng)具有小的流動阻力，以便修 復(fù)劑盡可能快地充注到裂隙，實施修復(fù)。本文將以冪律流體為工質(zhì)，對于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)流 道，進行單目標雙尺度、單目標多尺度、雙目標多尺度等三種優(yōu)化分析( 第2 章) ； ( 2 ) 對于一個實用的連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)，除材料內(nèi)埋入的自修復(fù)結(jié)構(gòu)，還包括外 部輔助系統(tǒng)( 如泵) ，優(yōu)化過程涉及到總的連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)。本文將對總系統(tǒng)的優(yōu)化 進行研究( 第3 章) ； ( 3 ) 完整的修復(fù)過程不僅涉及修復(fù)劑的流動與分布，還需考慮固化過程，本文 將對表面裂隙自修復(fù)過程進行研究( 第4 章) 。 2 冪律流體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)流道優(yōu)化碩士論文 2 冪律流體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)流道優(yōu)化 從修復(fù)效果上考慮，好的自修復(fù)系統(tǒng)應(yīng)在約束條件下( 如給定流道體積或表面 積) ，盡可能快地將修復(fù)劑充注到裂隙實施修復(fù)，防止裂縫的進一步發(fā)展。本章將主 要從降低流阻的角度對一種周邊流入、中心流出穩(wěn)態(tài)條件下的流道結(jié)構(gòu)，以冪律流體 為工質(zhì)，進行單目標雙尺度、單目標多尺度、雙目標多尺度等三種優(yōu)化分析。 2 1 單目標雙尺度優(yōu)化 1 1 1 一維數(shù)值模型與結(jié)果分析 2 1 1 1 一維數(shù)值模型 由于材料損傷位置的任意性，最佳的自修復(fù)流道網(wǎng)絡(luò)分布形式會像血管一樣三維 分布、錯綜復(fù)雜，為簡化計算，考慮圖2 1 所示的二維規(guī)則網(wǎng)狀自修復(fù)流道。 圖2 1 中所示為n x n = 1 1x1 1 的流道示意圖，表示單向流道數(shù)，流道假設(shè)為 光滑圓管，且具有兩種尺度，細線表示細流道( 直徑d 1 ) ，粗線表示粗流道( 直徑傷) ， 細流道和粗流道間隔排列，相鄰平行流道中心距為d 。圖2 1 所示中心流道交點坐標 為( 5 ，5 ) ，為兩條粗流道交點。假設(shè)只有一個裂隙點( 等價于質(zhì)量匯點或低壓出口) ， 位于某流道交點處，其它流道交點( 或其中的一部分交點) 為質(zhì)量源點，采用由質(zhì)量 源點到裂隙點的流體穩(wěn)態(tài)流動模型來模擬修復(fù)劑流動過程，此時所有質(zhì)量源點的質(zhì)量 流量之和等于唯一質(zhì)量匯點( 即裂隙點或低壓出口) 的質(zhì)量流量。該穩(wěn)態(tài)流動過程的 阻力被用于模擬裂隙充注流阻( 本文不考慮裂隙內(nèi)部流動過程) ，流道優(yōu)化目標是使 該流阻最小。對于初始裂隙點不在流道交點的情形，當裂隙逐漸演化擴大到刺破某段 流道壁面后，裂隙會和現(xiàn)有的網(wǎng)狀流道連接，此時分析方法與裂隙點在流道交點處并 無實質(zhì)區(qū)別，為簡便計算，只討論裂隙點在流道交點處的情形。 6 o j o4 圖2 11 1 1 1 流道結(jié)構(gòu) 碩士論文冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)過程研究 由于流道體積巧的存在會減小材料有效體積，因此好的設(shè)計應(yīng)使巧盡量小。為 保證可比性，在比較不同流道設(shè)計時保持巧不變。 定義流道細維數(shù)跏為【3 9 】 s v ：絲 ( 2 1 ) 嘭仃 在流道體積不變時，跏越大，表示流道結(jié)構(gòu)越“細長”。據(jù)文獻 3 6 ，3 7 ，4 0 ，對于牛 頓流體，當細維數(shù)s v o ( 1 0 ) 、雷諾數(shù)r e o ( 1 ) 時，流道交點處的局部阻力可忽略 不計，其中o ( 1 0 ) 和o ( 1 ) 表示數(shù)量級為1 0 和1 。 在自修復(fù)應(yīng)用中，流體多具有非牛頓特性，假設(shè)流體為冪律流體，其本構(gòu)方程為 r = 矽 ( 2 2 ) 式中f 為剪應(yīng)力張量，尹為剪切變形張量，n 為冪律指數(shù)，k 為稠度系數(shù)。假設(shè)在網(wǎng) 狀流道中由含質(zhì)量源的交點到含質(zhì)量匯的交點( 即裂隙點) 的所有流動均為充分發(fā)展 層流( 顯然對自修復(fù)用微細尺度流道內(nèi)流動這是一個合理的假設(shè)) ，且雷諾數(shù)胎足夠 小( 1 0 的量級以下) ，忽略流道交點的局部阻力，根據(jù)文獻【4 l 】可知，通過任意圓管 直管段的流量，；z 與該管段進出口壓力如、之間關(guān)系的的分析解表達式為 一n 萬d 3 呻( 氣一) n 萬d “( 昂一尼l t ) “ r t l = = - = ：_ = = 一 2 3 崢3 1 ) k ( 3 n4 - 1 ) k l 一，p d 1 ，一 2 4 “4 ，p ” 式中p 為流體密度。對于任意兩條垂直流道交點，流入、流出交點的流量蠔、 足守恒關(guān)系 ( 2 - 3 ) 滿 ，；z i n = ( 2 4 ) 其中的流量、，由式( 2 3 ) 確定。對圖1 所示結(jié)構(gòu)，共有2 ( n - 1 ) 個直管段和 艫個流道交點，對整個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成由2 ( n - 1 ) 個式( 2 3 ) 和艫個式( 4 ) 組成的非線性 方程組，采用m a t l a b 軟件求解該方程組，即得到各管段的流量和各流道交點處的 壓力。由于該結(jié)果是在直管段流量一壓降分析解 即式( 2 3 ) 基礎(chǔ)上得到的，本文稱之為 網(wǎng)狀流道結(jié)構(gòu)的分析解，考慮到分析解顯式表達式過于繁瑣，也無推導(dǎo)的必要，本文僅 在第2 節(jié)給出分析解的典型算例。 為比較總流量相同時雙尺度流道與均勻流道( 即均勻尺度流道) 的流阻大小，定 義無量綱相對流阻聲【3 8 ，3 9 】為 蘆；! 壘二魚! 鎏堡 ( p 腿一尸痂) 馬；島 f 25 ) 式中西為細流道和粗流道的直徑比，即 6 ；旦( 2 6 ) 島 對于均勻尺度，只存在一個流道直徑d ，6 為1 。式( 2 5 ) 中尸n m 、n 、分別為流道中 7 2 冪律流體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)流道優(yōu)化碩士論文 最大、最小壓力，當只有一個裂隙時，只n i n 為裂隙點壓力。當p i 時表示雙尺度流道 流阻小于均勻流道流阻，即雙尺度流道設(shè)計優(yōu)于均勻流道設(shè)計；當b1 時表示均勻尺 度設(shè)計更優(yōu)。選擇如下計算條件給出分析解的具體結(jié)果：以= 0 5 ( 剪切稀化流體) 、1 ( 牛頓流體) 和2 ( 剪切稠化流體) ；網(wǎng)格中心點為兩粗流道交點，最外圈為細流道； 所有質(zhì)量源點的質(zhì)量流量大小相同。由計算結(jié)果易知，采用本節(jié)分析模型得到的聲與 d 、s v 和總流量無關(guān)，故表述分析解時不再標明d 、函和總流量數(shù)值。 2 1 1 2 結(jié)果與討論 ( 1 ) 裂隙在中心交點、其它交點均為質(zhì)量源 圖2 2 給出了裂隙在中心交點、其它交點均為質(zhì)量源時聲隨6 、咒的變化?？梢姡?隨著6 的增加，聲先減后增，且存在最佳直徑比瓦使蘆達到最小值氐，瓦 1 意味著此時雙尺度設(shè)計優(yōu)于均勻尺度設(shè)計；冪律指數(shù)刀越大，瓦越小，或。也越 小，即對剪切稠化流體采用雙尺度流道設(shè)計優(yōu)勢更明顯；隨著的增大( 即流道 覆蓋面積增大) ，疋減小。對圖2 2 所示條件，霞。近似在o 3 0 5 之間。 b 圖2 2 聲隨西、刀的變化 ( 2 ) 裂隙不在中心點，其它交點均為質(zhì)量源 對實際的材料構(gòu)件，裂隙可能發(fā)生在任一流道交點位置?；趯ΨQ性，對圖2 3 所示n x n = 1 1 1 1 流道，計算了2 1 個不同流道交點( 口一“) 分別作為裂隙發(fā)生點 時的流阻。由圖2 4 可見：在2 1 個點中，有1 5 個點采用雙尺度流道時阻力小于 均勻尺度流道，且優(yōu)化尺度比霞眥均近似在o 3 0 4 之間；有6 個點( 即島f ，k , p ，廠 ”點) 采用均勻尺度流道時阻力小于雙尺度流道，這六個點均為兩個細流道的交點。 簡而言之，對大多數(shù)位置采用經(jīng)優(yōu)化的雙尺度結(jié)構(gòu)其阻力小于均勻尺度結(jié)構(gòu)。 8 碩士論文冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)過程研究 【o1 0 f s p口 ，4 dm， g廳 i j 七 t 口df向口 圖2 31 1 x 1 1 流道裂隙位置 圖2 4 不同裂隙發(fā)生點時的最小流阻與優(yōu)化尺度比 ( 3 ) 裂隙在中心交點，僅最外圈交點為質(zhì)量源 圖2 5 所示為對流道裂隙n x n = 7 x 7 在中心交點、且僅最外圈交點有相同的質(zhì) 量源時的無量綱相對流阻聲隨6 、n 的變化，該變化規(guī)律與圖2 2 相同。與圖2 2 的 區(qū)別在于：圖2 5 中，優(yōu)化尺度比o o p t 約為o 5 ，略高于圖2 2 中的0 4 ，對應(yīng)的最小相 對流阻瓦略大于圖2 2 中同等條件下的數(shù)值。 西 圖2 5 質(zhì)量源分布于流道最外圈時流阻特性 9 2 冪律流體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)流道優(yōu)化碩士論文 ( 4 ) 裂隙在中心點，最外圈為質(zhì)量源，有阻塞 實際的自修復(fù)流道在使用過程中可能發(fā)生難以預(yù)測的阻塞現(xiàn)象，以下分析阻塞對 修復(fù)劑流動的影響。以圖2 6 所示的7 7 結(jié)構(gòu)為例，圖2 2 的計算結(jié)果顯示，對于冪 律指數(shù)為o 5 、1 、2 的流體，最佳直徑比在0 5 到o 6 之間，取直徑比為0 5 ，s v = 1 6 ， 裂隙在中心a 處，外圍流道交點為質(zhì)量源，計算阻塞分別發(fā)生在幻、矗f 粗流道和曲、 細流道時的流阻特性，研究給定結(jié)構(gòu)在有阻塞時的性能。 圖2 67 x 7 流道結(jié)構(gòu) 表2 1各阻塞位置下的各種流體流動的無量綱相對流阻p o 5 l 2 0 8 5 6 8 0 6 8 9 9 o 9 0 6 4 0 8 0 5 6 o 8 1 8 3 0 6 6 7 9 0 9 0 5 6 0 8 7 3 0 8 3 9 6 0 6 9 5 l 0 3 1 3 80 4 4 5 80 3 2 5 80 6 3 3 40 3 3 4 7 從表2 1 可見：總體上看，流道結(jié)構(gòu)在阻塞時，p l ，雙尺度結(jié)構(gòu)相較均勻結(jié)構(gòu) 仍然有減阻效果；隨冪律指數(shù)t l 增大，各阻塞位置下的尸都有減小趨勢，說明減阻效 果愈加明顯；對比無阻塞工況，除r = 0 5 的幻阻塞工況外，靠近裂隙點的口6 、加 流道阻塞時，聲有阻塞 尸無阻毫，減阻效果不如無阻塞工況。 2 1 2 三維數(shù)值模擬算例 前文分析解忽略了流道交點局部阻力，為驗證此假設(shè)的適用性，以下將給出典型 的數(shù)值模擬算例。以n xn = 7 x7 流道優(yōu)化結(jié)構(gòu)為例，假設(shè)流動為冪律流體層流，d = 1 0 m m ，d l = 0 2 m m ，d 2 = 0 4 m m ，即s v = 1 7 8 ，1 5 = 0 5 ，作為對比，同時計算總體積與 之相同( s v 相同) ，流體入口、出口條件相同，均勻尺度結(jié)構(gòu)時的流阻。所用三維c f d 模型如下： 連續(xù)性方程 1 0 碩士論文冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)過程研究 動量方程 絲+ 翌+ 型：0 缸卻如 d i v ( , u 小一塞+ 魯+ 等+ 誓 a i r ( a v e ) = 一考+ 誓+ 誓+ 誓 機( p 伽) = 一老+ 等+ 等+ 誓 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中u 、v 、w 為速度分量，露為速度矢量，x 、y 、z 為坐標分量，p 為壓力，f 。、 r 抄、乞、毛、乞、f 穆、為剪應(yīng)力分量，由本構(gòu)方程式( 2 ) 確定。入口 采用流量邊界條件，出口( 裂隙位置) 采用壓力邊界條件。采用基于有限容積法和 s i m p l e 算法的f l u e n t 軟件求解數(shù)值模型。計算時采用分離隱式求解，其中壓力離散 采用標準格式，動量方程離散采用二階迎風格式，收斂精度設(shè)為迭代2 0 0 次后，壓降 相對誤差 1 0 - 5 。網(wǎng)格獨立性校核判據(jù)取粗細網(wǎng)格計算所得壓降相對誤差 1 0 ) 和低雷諾數(shù) ( 1 0 ) 層流流動條件下，分析解可以滿足應(yīng)用需要。 2 冪律流體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)流道優(yōu)化碩士論文 腳誓鳴，h 2 1 3 實驗示例 。一 啦 ( a ) 幔，p i 哦 ( b ) 啦 ( c ) 圖2 7 p n r e 島；d 2 的變化 文獻 3 8 自制了一種網(wǎng)狀流道，以水為工質(zhì)，進行了中心流入、周邊流出的實驗， 試驗件存在較大誤差?；? 1 1 ，2 1 2 節(jié)分析結(jié)果，本文作者制作了均勻流道和非 均勻流道兩種試驗件，擬通過一個典型實驗，比較兩種試驗件在相同條件下的流阻特 性，藉此驗證非均勻流道的實際減阻效果。 2 1 3 1 實驗裝置 雙尺度試驗件如圖2 8 所示，材料尺寸為2 1 0 x 2 1 0 x 9 ，粗流道直徑6 m m ，細流道 3 m m ( 在相同流道體積時，對應(yīng)單尺度均勻流道直徑4 5 3 6 m m ) ，流道間距3 0 m m 。 相應(yīng)s v = 5 7 9 8 。 1 2 碩士論文 冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)過程研究 iii士0 嬲懶膦 憋 匾 一 豹黝驂 齜 玩 x： 黝 彩一綴 齜 飄阮 t千ttttt 圖2 8 周邊流入，中心流出流道結(jié)構(gòu)示意圖 采用剪切稀化流體聚丙烯酰胺溶液為工質(zhì)，該工質(zhì)為陰離子型聚丙烯酰胺，分子 量1 5 0 0 - - - , 1 7 0 0 萬( 東莞寶潤生產(chǎn)) ，先將溶液配成1 ( 1 0 9 l ) 濃溶液，使用時稀釋 至0 1 ，此時溶液冪律指數(shù)n = 0 3 7 0 3 ，稠度系數(shù)k = 4 3 3 9 e 4 2 1 。 實驗裝置如圖2 9 所示。將試驗件放入底部開孔的恒壓容器，恒壓容器適當位置 上開溢流孔以恒定液位，流體由試驗件周邊流入，由中心流出，并流入稱重容器。通 過試驗件的流量通過稱重計時法確定。稱重所用秤的最小分度值0 0 0 5 k g ，稱重時間 為1 分鐘左右，從恒壓容器底面到液面的液位高度由直尺量出。 閥門 泵 圖2 9 雙尺度結(jié)構(gòu)減阻效果驗證試驗示意圖 1 3 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 2 冪律流體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)流道優(yōu)化碩士論文 2 1 3 2 實驗結(jié)果 簡單的實驗結(jié)果如表2 2 所示。表2 2 的結(jié)果表明，在相同液位下，非均勻結(jié)構(gòu) 的流量大，降低了流阻。這是因為對于有限的空間( 比如體積) ，給流量大的流道( 匯 點周圍) 分配較大的空間，會利于流動，從而降低阻力。 表2 2 多尺度非均勻結(jié)構(gòu)減阻實驗示例實驗結(jié)果 2 2 單目標多尺度優(yōu)化 2 2 1 分析模型 考慮如圖2 1 0 所示7 7 流道結(jié)構(gòu)，外圍一周流道交點具有均布質(zhì)量源，基于對 稱性，以圖中1 1 2 管徑d ( f ) 為優(yōu)化變量，采用m a t l a b 軟件內(nèi)置的基于梯度的局部 搜索算法一序列二次規(guī)劃方法尋優(yōu)的尋優(yōu)函數(shù)，以均勻結(jié)構(gòu)為初始結(jié)構(gòu)，約束條件為： s v = 2 0 并保持為常數(shù)( 等價于固定流道總體積翰，優(yōu)化管徑在o 一1 0 0 0l am 、1 0 0 - - , 1 0 0 0 um 、2 0 0 , , 1 0 0 0l am 之間變化。在計算時取相鄰平行流道間距d _ - 1 0 m m ，流體密度p = 1 0 0 0k g m - 3 ，稠度系數(shù)k = 0 0 0 1n s n m - 2 ，選擇如下計算條件：n = 0 5 ( 剪切稀化 流體) 、1 ( 牛頓流體) 、2 ( 剪切稠化流體) 。 1 4 圖2 1 07 x 7 流道結(jié)構(gòu) 碩士論文冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)過程研究 2 2 2 結(jié)果與討論 表2 3 給出了，z = 0 5 ，1 ，2 ，s v = 2 0 時，無量綱流阻?？梢姡郝?1 ，即優(yōu)化結(jié)構(gòu) 流阻小于均勻結(jié)構(gòu)：聲( 以= 2 ) 蘆( 刀= 1 ) m d e s c e n d - c r o w d i n g - d i s t a n c e - s o r t ( f ) p p = p c + l - f p g + 1 = p p + f 1 ：【m - s i z e ( p p ) 】) q c + l = a p p l y - g e n e t i c o p e r a t o r s ( p c + 0 g = ( 升1 e n dw h i l e e n dp r o c e d u r e 編碼時，以圖2 1 0 所示結(jié)構(gòu)及流動條件為例，1 - - 1 2 流道管徑為優(yōu)化變量作為遺 傳算法操作的對象一基因。即組成個體的基因個數(shù)為1 2 。采用十進制編碼，管徑分 別在0 - 1 0 0 01 1m ，1 0 0 一- - 1 0 0 0um ，2 0 0 - - 1 0 0 0pm 之間取值。初始種群選取如下： 種群有m 個個體，個體的每個基因值大小在0 一1 0 0 0 間隨機產(chǎn)生，一個個體代表一 種流道結(jié)構(gòu)。選擇操作采用競技選擇法選出用于交叉、變異的父輩個體，選擇壓力取 4 。從種群中隨機選擇4 個個體作為候選者，其中兩個進行比較選出非支配個體，然 后逐一與另外兩個候選者比較選出非支配個體，如果最終存在多個或不存在非支配個 體，則計算非支配個體或者所有候選者的擁擠度，選擇擁擠度最大的個體作為父輩。 碩士論女 冪律流體連續(xù)自修復(fù)系統(tǒng)d 程研究 重復(fù)上述過程至父輩個體數(shù)等于種群數(shù)m 。交叉操作采用單點交叉法。取交叉概率1 ， 即所有的子代個體通過交叉操作產(chǎn)生。具體過程為從父輩中隨機取出兩個個體a 、b ， 然后產(chǎn)生一個1 4 1 間的隨機數(shù)k ，將a 、b 的基因從第k 個之后交換，產(chǎn)生子代個 體c 。例如a = ( 1 ，2 ，3 ，4 1 ，4 2 ) ，b = ( 1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 1 0 ，4 2 0 ) ，k = 2 ，則c = ( 1 。2 3 0 ，”，4 1 0 ，4 2 0 ) 。 當種群數(shù)m 越大，進化代數(shù)g 越大，越容易得到p a r e t o 最優(yōu)前沿，但由于一個 個體對應(yīng)一種流道結(jié)構(gòu)，則需要計算m x g 次壓力分布，這將花費更多時間?？紤]計 算并繪制不同種群數(shù)m 下的最優(yōu)前沿當前端重疊，沒有顯著差別時，認為m 滿足 計算需要，得到了最終的遺傳算法的pa = r e t o 最優(yōu)前沿，其中不同m 下的g e n ，以間隔 5 代的p a r e t o 最優(yōu)前沿重疊，沒有顯著差別時，認為得到該種群下的前端，最終確定 各工況遺傳算法種群數(shù)5 1 0 ，進化代數(shù)3 5 。 2 3 3 雙目標遺傳算法優(yōu)化結(jié)果 對于圖21 0 所示結(jié)構(gòu)及流動條件，以最大壓降a p 、細維數(shù)的倒數(shù)s v ( 等價于 無量綱修復(fù)劑流道體積，1 增大，表示材料體積一定時，流道體積更大) 為雙目標， 1 1 2 流道管徑為優(yōu)化變量，管徑取值范圍分別為o 1 0 0 0 i tm ，1 0 0 1 0 0 0 1 1m ，2 0 0 1 0 0 0 l am 之間，流體分別為冪律指數(shù)n = 0 5 ，1 ，2 的流體，雙目標遺傳算法優(yōu)化后 p a r e t o 前端如圖2 1 4 所示。 ( a ) 05 2 冪棹流體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)流道優(yōu)化碗論z 巾ln = 1 f 曲 = 2 圖21 4 雙目標遺傳優(yōu)化后p m e t o 前端 由圖2 1 4 可見