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)、全面地回顧和總結近30年來兩相湍流混合層研究現(xiàn)狀的基礎上,通過直接數(shù)值模擬和實驗驗證,對二維兩相湍流混合層流動結構進行了開創(chuàng)性研究,取得了一些具有重要理論意義和實際應用價值的創(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數(shù),同時,時間步進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)方法結合Thompson無反射邊界條件被用于邊界條件的設置.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)值結果揭示出的細致的流動結構證明這種數(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)展的流場結構及典型尺寸的顆粒在流場中的運動規(guī)律.分兩種計算工況: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.計算結果得到了以空間發(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)計結果中,平均縱向速度U與實驗值較好地吻合,U在下游x/l<,r>=220(低雷諾數(shù)的混合層)處達到自相似狀態(tài).雷諾應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力在下游不再顯示了一個很強增長的趨勢,這個主要是由于渦的配對過程對它的影響.√<'->v<'2>/△U顯示的形狀與實驗是一致的,只是其結果較實驗值略高,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)計結果中,一階平均量與實