氣固兩相平面混合層的直接數(shù)值模擬及擾動波對平面混合層的影響.pdf

1、本文使用直接數(shù)值模擬的方法研究了空間發(fā)展的二維平面混合層,迄今為止,使用大渦模擬的方法研究平面混合層的較多,但使用直接數(shù)值模擬的方法研究空間發(fā)展的平面混合層的數(shù)值成果相對較少.本文在系統(tǒng)、全面地回顧和總結(jié)近30年來兩相湍流混合層研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,通過直接數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對二維兩相湍流混合層流動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了開創(chuàng)性研究,取得了一些具有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值的創(chuàng)新性成果.本文的求解對象是有弱可壓縮性的流場控制方程組,并且采用單向耦合的方

2、法模擬各種典型尺寸的顆粒在平面混合層流場中的擴(kuò)散行為和濃度分布規(guī)律.DNS的數(shù)值方法基于高精度有限差分方法.文中采用具有高分辨率的4階精度的緊致差分格式離散空間導(dǎo)數(shù),同時,時間步進(jìn)采用低存儲量要求的4階顯式Runge-Kutta格式.非物理的出口區(qū)方法結(jié)合Thompson無反射邊界條件被用于邊界條件的設(shè)置.入口邊界采用特征入流邊界條件,并在出口邊界作壓力修正.數(shù)值結(jié)果揭示出的細(xì)致的流動結(jié)構(gòu)證明這種數(shù)值方法成功的.本文中首先用DNS方法模

3、擬了入口無擾動的二維平面混合層隨時間發(fā)展的流場結(jié)構(gòu)及典型尺寸的顆粒在流場中的運(yùn)動規(guī)律.分兩種計(jì)算工況:一種是取U<,1>/U<,2>=2:1,而基于入口速度差與初始動量厚度的雷諾數(shù)約為176.另一種是取U<,1>/U<,2>=5:1,而基于入口速度差與初始動量厚度的雷諾數(shù)約為664.計(jì)算結(jié)果得到了以空間發(fā)展的渦量場,同時精確地捕捉到了展向渦的卷起、兩渦配對及三渦合并現(xiàn)象.從現(xiàn)象上看,三渦合并是兩次兩渦配對的線性疊加.兩渦配對后的渦層厚度

4、為單個展向渦核的2倍,三渦合并后近似為單個渦核的3倍.在統(tǒng)計(jì)結(jié)果中,平均縱向速度U與實(shí)驗(yàn)值較好地吻合,U在下游x/l<,r>=220(低雷諾數(shù)的混合層)處達(dá)到自相似狀態(tài).雷諾應(yīng)力分布有一定的特殊性,√<'->u<'2>/△U顯示了一個雙駝峰的形狀,在軸向中心線處雷諾應(yīng)力在下游不再顯示了一個很強(qiáng)增長的趨勢,這個主要是由于渦的配對過程對它的影響.√<'->v<'2>/△U顯示的形狀與實(shí)驗(yàn)是一致的,只是其結(jié)果較實(shí)驗(yàn)值略高,略寬一些,這主要是由

5、于在二維模擬中,缺少了z方向流場變量的影響.本文的第二部分為入口有擾動的二維氣固兩相平面混合層的DNS.主要研究了擾動波的存在對平面混合層中渦的卷起,渦的配對及合并的影響.由于在混合層入口有擾動波的存在,使得渦更快的卷起,而且卷起的位置更加靠近入口.同也使得展向渦的配對被延遲,在本文的研究中,精確的捕捉到了計(jì)算區(qū)域中的所有的展向渦只有卷起而沒有配對現(xiàn)象,這也說明了擾動波(基波)的存在延遲了展向渦的配對.在流場的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中,一階平均量與實(shí)