氣固兩相湍流邊界層內(nèi)傳熱過程的全尺度直接數(shù)值模擬.pdf

1、為了全尺度直接數(shù)值模擬有限體積顆粒與湍流邊界層的流動和熱相互作用，本文首先發(fā)展了一套適用于運動顆粒的基于虛擬點的高階內(nèi)嵌邊界方法。通過大量算例的檢驗驗證證明：該算法具有高階空間收斂精度；具有極高的效率和準(zhǔn)確度；夠準(zhǔn)確方便處理Dirichlet和Neumann類型邊界條件；且能夠正確有效處理流體熱效應(yīng)引起的流動和傳熱問題。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用高階算法模擬研究由20個圓球顆粒組成顆粒團(tuán)(Cluster)的強(qiáng)制對流傳熱問題發(fā)

2、現(xiàn)：顆粒團(tuán)的流體動力學(xué)特性可以通過與顆粒團(tuán)直徑相同的等效圓球來進(jìn)行預(yù)測；但是團(tuán)聚效應(yīng)對顆粒與流體相間傳熱具有明顯的阻礙作用。模擬顆粒沉降時的冷卻過程發(fā)現(xiàn)，自然對流使得顆粒的運動速度和傳熱過程與不考慮浮力情形均有顯著不同，尤其是當(dāng)表征浮力相對強(qiáng)度的Richardson數(shù)較大時。⑵在顆粒與湍流相互作用方面，模擬了自由運動顆粒群與各向同性均勻湍流的流動和熱相互作用。主要討論了密度比、湍流強(qiáng)度、溫度脈動和體積分?jǐn)?shù)對阻力系數(shù)和傳熱系數(shù)的影響。結(jié)果

3、表明，與顆粒固定時溫度脈動的影響較強(qiáng)不同，速度脈動對運動顆粒與流體相間傳熱具有明顯的促進(jìn)作用。并且顆粒平均努謝爾數(shù)隨顆粒與流體密度比的增加而減小；同時體積分?jǐn)?shù)越大顆粒平均努謝爾數(shù)越大。利用直接數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)檢驗常用經(jīng)驗公式的適用性發(fā)現(xiàn)：在氣固兩相湍流中僅當(dāng)顆粒雷諾數(shù)較大時，傳統(tǒng)經(jīng)驗公式才能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測顆粒的平均阻力系數(shù)和傳熱系數(shù)。為提高瞬時預(yù)測的準(zhǔn)確度，尤其在低雷諾數(shù)情形下，需充分考慮顆粒周圍局部速度和溫度脈動的影響。⑶采用經(jīng)過充分驗

4、證的基于虛擬點的高階內(nèi)嵌邊界方法，首次全尺度直接數(shù)值模擬了包含大量自由運動有限體積顆粒的氣固兩相非等溫湍流邊界層。系統(tǒng)的對比分析表明，流體熱效應(yīng)浮力和有限體積顆粒的存在，對湍流邊界層發(fā)展、速度和溫度的平均和脈動分布、渦結(jié)構(gòu)演化以及對流傳熱過程均具有顯著影響。特別地，熱效應(yīng)浮力引起的流體法向運動促進(jìn)了邊界層內(nèi)外層間的動量和熱量交換。而有限體積顆粒作為擾動源使得速度脈動全面增加，且邊界層內(nèi)條紋結(jié)構(gòu)和大尺度擬序結(jié)構(gòu)被破壞。但其作為額外熱源使得