基于格子Boltzmann方法的撞擊流流動不穩(wěn)定性的數值研究.pdf

1、氣流床煤氣化技術在煤炭資源利用中得到了越來越廣泛的應用。目前,國家已經立項兩項有關氣流床煤氣化技術的重點基礎研究項目,而氣流床煤氣化設備中的主要流動形式是撞擊流。撞擊流是一種滯止湍流,有別于常見的剪切湍流。因此,對撞擊流的研究,不僅有重要的理論意義,還有深遠的應用價值。
　　到目前為止,對于撞擊流的研究還不夠充分,許多基本的問題,比如撞擊流的流動不穩(wěn)定性,還沒有得到深入的研究。由于這類滯止湍流對實驗環(huán)境的要求十分苛刻,因此實驗研究

2、非常困難。近些年來,隨著計算機技術的飛速發(fā)展,科學計算已經成為科學研究中不可或缺的重要研究手段。數值研究有望成為研究撞擊流的一種重要途徑。
　　近年來,格子Boltzmann方法已經發(fā)展成為模擬流體流動和為復雜物理現象建模的新工具。與傳統(tǒng)的計算流體力學方法相比,格子Boltzmann方法具有許多獨特的優(yōu)勢,如算法簡單,邊界條件容易處理,具有良好的并行性等。另外,在湍流研究領域,格子Boltzmann方法還具有很多其它的優(yōu)勢,如LE

3、S計算的渦量場精度高、方法本身具有更好的旋轉不變性等。因此,格子Boltzmann方法有望成為數值研究撞擊流的有力工具。
　　目前采用格子Boltzmann方法研究撞擊流的工作較少,本文的研究工作無疑會推進格子Boltzmann方法在撞擊流中的應用。更為重要的是,本文的工作為研究撞擊流乃至滯止湍流提供了新的方法。論文的工作主要包括以下幾個方面:
　　首先,為了模擬三維不可壓湍流流動問題,本文發(fā)展了兩類新的不可壓多松弛格子Bo

4、ltzmann模型。與已有的多松弛模型相比,新模型能更好地克服可壓縮效應,并且計算效率更高。與已有的單松弛模型相比,新模型具有更好的數值穩(wěn)定性。新模型的提出為三維湍流撞擊流的格子Boltzmann模擬提供了模型基礎。
　　其次,從二維撞擊流的流動不穩(wěn)定性問題出發(fā),本文采用常用的格子Boltzmann熱模型模擬了非等溫的撞擊流,研究了有無浮力作用下撞擊流的流場和溫度場結構受流體動力學參數(理查森數、雷諾數和普朗特數)的影響。在浮力作

5、用下,本文發(fā)現了一種新的流場和溫度場結構,即穩(wěn)定的偏斜結構。同時,本文還發(fā)現了一些新的非穩(wěn)態(tài)的流場和溫度場結構。這些發(fā)現加深了對撞擊流的流動不穩(wěn)定性的認識。
　　第三,基于上面撞擊流的不穩(wěn)定性的研究,本文還研究了入口速度分布(均勻速度和拋物線速度,實際中常見的兩種速度曲線)對撞擊流流動特性、溫度分布特性以及混合特性的影響。研究中發(fā)現,隨著雷諾數和噴嘴間距的增大,入口速度分布對上述特性的影響越來越大。以上發(fā)現為撞擊流應用中操作參數的

6、設定提供了借鑒。
　　第四,本文采用前面發(fā)展的不可壓多松弛格子Boltzmann模型,并結合基于Smagorinsky渦粘性模型的大渦模擬方法,對三維湍流撞擊流進行了數值模擬。研究了雷諾數以及噴嘴間距對撞擊流速度矢量場結構、中心線上的速度分布和湍流統(tǒng)計量分布的影響。結果發(fā)現,即使在湍流流動中,撞擊流的流場也會出現不對稱的現象。其他的主要發(fā)現有,撞擊流中心線上的速度和某些湍流統(tǒng)計量對雷諾數的變化不敏感,且湍流統(tǒng)計量在滯止點附近取值較