慣性顆粒所見(jiàn)亞格子流體特性及其動(dòng)力學(xué)模型.pdf

1、在氣固兩相湍流中，連續(xù)相與離散相之間的相間相互作用一直就是十分復(fù)雜的問(wèn)題，而在大渦模擬的框架下，亞格子尺度湍流對(duì)顆粒作用的研究更是當(dāng)下離散兩相流領(lǐng)域亟待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。
　　本文基于這一現(xiàn)狀，以均勻各向同性湍流為背景，對(duì)氣固兩相流動(dòng)亞格子相關(guān)內(nèi)容開(kāi)展了以下三個(gè)方面的研究：
　　首先，本文通過(guò)對(duì)流場(chǎng)直接數(shù)值模擬結(jié)果的過(guò)濾操作，獲得了亞格子流場(chǎng)及其對(duì)應(yīng)的可求解尺度場(chǎng)，通過(guò)對(duì)過(guò)濾所得各分離尺度場(chǎng)的研究發(fā)現(xiàn)，隨著過(guò)濾寬度的增大，可求

2、解尺度場(chǎng)與亞格子流場(chǎng)的能量分別減少與增加，而兩個(gè)場(chǎng)的自相關(guān)以及積分時(shí)間尺度都隨著過(guò)濾寬度變大呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)；尤其值得關(guān)注的是，不同于全尺度場(chǎng)時(shí)間尺度 TE>TL的關(guān)系，亞格子場(chǎng)的拉氏積分時(shí)間尺度是大于歐拉時(shí)間尺度的，即δTL>δTE，二者之比β也隨著過(guò)濾寬度的增加而趨向減小至全尺度流場(chǎng)的比值。通過(guò)對(duì)自相關(guān)與積分時(shí)間尺度的進(jìn)一步分析，可以了解到流場(chǎng)的小尺度結(jié)構(gòu)對(duì)拉氏的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于歐拉，而大尺度對(duì)歐拉的貢獻(xiàn)則遠(yuǎn)大于拉氏。
　　其次，基

3、于單相流場(chǎng)研究的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步采用點(diǎn)源假設(shè)，對(duì)慣性顆粒所見(jiàn)亞格子流體的拉氏統(tǒng)計(jì)行為開(kāi)展了研究，重點(diǎn)關(guān)注了顆粒所見(jiàn)各分離尺度流體的湍動(dòng)能，自相關(guān)以及積分時(shí)間尺度等重要統(tǒng)計(jì)量隨顆粒慣性以及過(guò)濾參數(shù)變化的行為。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，慣性顆粒所見(jiàn)的亞格子流體湍動(dòng)能和積分時(shí)間尺度隨著顆粒St數(shù)變化呈現(xiàn)出相反的變化行為，前者隨著St數(shù)的增加先減少到最小值再增加，后者則相反。而且，二者隨慣性變化曲線中的極值所對(duì)應(yīng)的St數(shù)都隨著過(guò)濾寬度的增加逐漸向著更大的

4、值移動(dòng)。本文認(rèn)為，上述現(xiàn)象是源于亞格子尺度流體對(duì)不同St數(shù)顆粒的運(yùn)動(dòng)影響不同所導(dǎo)致的。對(duì)于低St數(shù)的情況，顆粒的聚集將受益于小尺度渦結(jié)構(gòu)離心效應(yīng)的作用；而對(duì)于較大的St數(shù)顆粒，其弛豫時(shí)間比亞格子尺度渦團(tuán)大，因此亞格子尺度流體對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響將更趨于隨機(jī)化分布的作用。本文就慣性效應(yīng)和過(guò)濾尺度對(duì)顆粒所見(jiàn)亞格子流體積分時(shí)間尺度的影響提出了經(jīng)驗(yàn)公式，即在本文的計(jì)算范圍內(nèi)，采用指數(shù)分布函數(shù)進(jìn)行了兩種方式的擬合。通過(guò)與眾多文獻(xiàn)中所提出的方案相比較，本

5、文由模擬結(jié)果所得到的慣性顆粒所見(jiàn)流體積分時(shí)間尺度更具合理性。
　　最后，本文詳細(xì)推導(dǎo)了慣性顆粒所見(jiàn)亞格子流體的Langevin動(dòng)力學(xué)方程，并基于本文的模擬結(jié)果對(duì)模型方程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了封閉。與以前大多數(shù)研究不同的是，在本文所建立的亞格子Langevin模型中采用了真實(shí)的慣性顆粒所見(jiàn)亞格子流體的湍動(dòng)能與積分時(shí)間尺度，從而能夠在模型中反映出顆粒慣性與物理空間中過(guò)濾寬度對(duì)模擬結(jié)果的影響，使得模型參數(shù)的選擇更為合理。通過(guò)在流場(chǎng)的F-DN