三維氣固兩相平板間射流中相間耦合作用的直接數(shù)值模擬.pdf

1、關(guān)于氣固兩相湍流中顆粒與流體相互作用以及其中顆粒之間的碰撞問(wèn)題，多年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣固兩相流動(dòng)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。氣固兩相平面射流作為一種典型的自由剪切流動(dòng)，在自然界與實(shí)際的工程應(yīng)用中廣泛存在。但是迄今為止，對(duì)三維氣固兩相平板間湍流射流中相間耦合的研究還很少，其中采用直接數(shù)值模擬(DNS)進(jìn)行的研究更是幾乎沒有。在這樣的背景下，本文采用DNS方法集中對(duì)不可壓縮的三維氣固兩相平板間湍流射流中相間作用規(guī)律進(jìn)行了研究。其中對(duì)流場(chǎng)不引入任

2、何湍流模型，采用DNS方法直接求解完整的三維非定常的Navier-Stokes方程組，對(duì)顆粒的跟蹤分別采用基于單向和雙向耦合的拉格朗日方法，顆粒之間的碰撞采用確定性的硬球模型，顆粒與流體之間的動(dòng)量耦合采用點(diǎn)力描述。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 ⑴在單向耦合情況下，單獨(dú)考察了不同Stokes的顆粒間碰撞及其對(duì)顆粒擴(kuò)散特性的影響。模擬發(fā)現(xiàn)不同Stokes數(shù)的顆粒碰撞與其擴(kuò)散特點(diǎn)及流場(chǎng)擬序渦結(jié)構(gòu)的演化有著密切的關(guān)系，盡管整個(gè)流場(chǎng)的顆粒平均

3、濃度較低，但是在顆粒局部聚集的較高濃度區(qū)域都可以觀察到顆粒碰撞的發(fā)生。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，顆粒的局部聚集效應(yīng)是較小慣性顆粒發(fā)生碰撞的主導(dǎo)因素，而較大慣性顆粒的碰撞現(xiàn)象則主要受湍流輸運(yùn)作用的影響。此外，顆粒碰撞使得顆粒在流場(chǎng)中的分布更加均勻，擴(kuò)散程度也有所增加。對(duì)于流場(chǎng)中顆粒尺寸按照Rosin-Rammler函數(shù)分布時(shí)的研究發(fā)現(xiàn)，不同粒徑顆?；旌系那樾蜗?，流場(chǎng)中顆粒發(fā)生碰撞的次數(shù)明顯變多了，碰撞對(duì)顆粒擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響也明顯了.
　　 ⑵采

4、用雙向耦合的方法，對(duì)流場(chǎng)中顆粒與流體之間的相互作用進(jìn)行了詳細(xì)的研究。計(jì)算時(shí)，為了得到更為真實(shí)準(zhǔn)確的結(jié)果，沒有采用計(jì)算顆粒的概念，而是對(duì)不同載荷下流場(chǎng)中的實(shí)際顆粒數(shù)目進(jìn)行了跟蹤。模擬結(jié)果表明不同Stokes數(shù)的顆粒都改變了流場(chǎng)擬序渦結(jié)構(gòu)的發(fā)展演化，對(duì)于同一種Stokes數(shù)的顆粒而言，顆粒固相載荷越大，對(duì)流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)的影響越明顯。顆粒使得流場(chǎng)流向平均速度剖面變高變窄了，降低了流場(chǎng)的橫向平均速度和脈動(dòng)速度。相同載荷的情況下，Stokes數(shù)為0.

5、5和1的兩種顆粒對(duì)流場(chǎng)平均速度的改變程度要更明顯。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，顆粒使射流中心線上的流向平均速度衰減變慢了，且在相同載荷的情況下，Stokes數(shù)為0.5較小顆粒影響更明顯。所有顆粒都增加了流場(chǎng)橫向兩側(cè)的湍流強(qiáng)度，減小了流場(chǎng)湍動(dòng)能和雷諾應(yīng)力。此外，還發(fā)現(xiàn)雙向耦合效應(yīng)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)及擴(kuò)散的影響也不容忽視，雙向耦合效應(yīng)使不同Stokes數(shù)顆粒的擴(kuò)散特點(diǎn)都發(fā)生了變化，并且改變了顆粒在流場(chǎng)中的擴(kuò)散程度、運(yùn)動(dòng)速度、濃度以及能量分布情況。
　　 ⑶考

6、慮四向耦合效應(yīng)對(duì)較低載荷情況下的三維氣固兩相射流中的相間耦合作用作了進(jìn)一步的探討。通過(guò)對(duì)顆粒間的碰撞進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)碰撞主要集中分布在流場(chǎng)的中心區(qū)域、顆粒碰撞次數(shù)與顆粒在流場(chǎng)中的濃度、運(yùn)動(dòng)速度和顆粒粒徑都有關(guān)系，其中stokes數(shù)為100的顆粒在流場(chǎng)中碰撞發(fā)生的次數(shù)最多。同時(shí)發(fā)現(xiàn)顆粒碰撞對(duì)流場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特性產(chǎn)生了不同程度的影響，各種Stokes數(shù)的顆粒碰撞作用都加快了氣相中心速度的衰減、增強(qiáng)了流場(chǎng)的總湍流強(qiáng)度。但是在較低固相載荷的情形下，