氣固兩相繞方柱流轉(zhuǎn)捩的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、鈍體繞流一直是流體力學(xué)界倍受關(guān)注的經(jīng)典問題，人們投入了大量的精力研究這一問題。氣固兩相繞流鈍體的現(xiàn)象在工業(yè)界和自然界中非常廣泛，越來越多的研究者把研究重點轉(zhuǎn)向了這一方向。氣固兩相流繞流鈍體現(xiàn)象中由于氣流繞流鈍體的不規(guī)則性，顆粒在流場中分布的不均勻性以及顆粒與氣流場的相互作用，使得研究其特性變得更為復(fù)雜。本文是針對氣固兩相繞長方柱和短方柱的流動現(xiàn)象進行的研究，在數(shù)值計算方法上采用了精度高、計算效率高并且易于并行化的高階緊致差分格式結(jié)合虛擬

2、體的數(shù)值方法對單個方柱體的尾跡流進行了三維的直接數(shù)值模擬。研究的重點是在轉(zhuǎn)換工況Re=225的情況下，純氣流繞流長方柱和短方柱后尾跡流場中的瞬時物理量和時均物理量特性：主要對顆粒場則采用Lagrange方法跟蹤了Stokes數(shù)為0.01、1、5的三種顆粒，分析了顆粒的進入對繞流尾跡中流場瞬時物理量和時均物理量特性的影響。 本文的主要研究結(jié)果主要包括： 在Re=225前后，流場繞流長方柱后發(fā)生轉(zhuǎn)捩，轉(zhuǎn)捩后肚的渦結(jié)構(gòu)是由上下

3、分列相對獨立、旋轉(zhuǎn)方向相反的魚刺渦形成的渦街．這種渦街形式和圓柱繞流有很大的區(qū)別；通過進一步分析長方柱的湍動能，譜能和平均速度分布特性，發(fā)現(xiàn)了尾跡流場中主要能量對應(yīng)的低振蕩頻率即為渦脫基頻；通過對流場基本的物理：參數(shù)(速度、渦量、阻力系數(shù)，升力系數(shù)、平均統(tǒng)計量)的分析，確定了渦脫的初始位置，回流區(qū)長度和回流區(qū)的高度，發(fā)現(xiàn)回流區(qū)結(jié)束的地方流向平均速度最、大，垂直向平均速度最小，流場的湍流脈動最強。 在顆粒加入長方柱尾跡流場后，由于

4、同時存在著多個不同時間尺度和空間尺度的渦結(jié)構(gòu)，不同St數(shù)顆粒的響應(yīng)時間隨著空間和時間不同，發(fā)現(xiàn)了不同St數(shù)顆粒對流場瞬時變量和時均變量的影響也是不同的：Stokes數(shù)為0.01的小顆粒在流場中跟隨流場中渦的結(jié)構(gòu)運動，在渦的核心和邊緣分布較為均勻，對流場的瞬時變量和時均變量的影響不明顯；Stokes數(shù)為1的顆粒，加強了尾跡流場的阻力系數(shù)的振幅和頻率，加長了渦脫落的周期，在近流場增加了的流向平均速度、垂直向平均速度、展向平均速度和平均湍動能

5、，但對混合平均雷諾應(yīng)力影響不大，在遠流場流向平均雷諾應(yīng)力沒有太大的影響，但垂直方向上的擾動增強了，而混合平均雷諾應(yīng)力則減小了：Stokes數(shù)為5的中等顆粒，減弱了流場空氣的阻力系數(shù)振幅和頻率，加大了平均流向速度跨度，增大了垂直方向平均速度和展向平均速度，使得平均雷諾應(yīng)力的變化趨于平緩，中心線上的平均湍動能被減小，而遠離中心線的區(qū)域上的流場平均湍動能增加。通過數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，繞流短方柱后的渦結(jié)構(gòu)是與球、與圓柱后的渦結(jié)構(gòu)截然不向的，其近場主要

6、是端面上形成的上下分列相對獨立的發(fā)卡渦，遠場主要是由發(fā)卡渦和魚刺渦相互作用后產(chǎn)生的帶狀渦結(jié)構(gòu)組成。這種渦街形式和長方柱繞流有稂大的區(qū)別；通過進一步分析短方柱的湍動能，譜能和平均速度分布特性，發(fā)現(xiàn)了尾跡流場中主要能譜對應(yīng)的低振蕩頻率比長方柱的相應(yīng)頻率小了很多；通過對流場基本的物理參數(shù)(速度、渦量、阻力系數(shù)，升力系數(shù)、平均統(tǒng)計量)的分析，我們首次確定兩種渦相互合并的初始位置，相互作用的區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)在這個合并的區(qū)域丙垂直向平均速度最小，流場的

7、湍流脈動最強。 短方柱尾跡流場顆粒加入后，流場中由于同時存在著兩個完全不同性質(zhì)的渦結(jié)構(gòu)，不同 St數(shù)顆粒對流場瞬時變量和時均交量的影響和長方柱的不同：stokes數(shù)為0.01的小顆粒在流場中跟隨流場中兩種渦的結(jié)構(gòu)運動，流場的瞬時菱疊和時均變量的影響剛開始就有但不明顯；Stokes數(shù)為1的顆粒，減小了尾跡流場的阻力系數(shù)的振幅和頻率，升力系數(shù)沒有了基頻，流向平均速度、垂直向平均速度和平均雷諾應(yīng)力減小了，而展向平均速度增加了；Stok