熱對(duì)流條件下懸浮顆粒運(yùn)動(dòng)的格子Boltzmann方法模擬.pdf

1、懸浮顆粒的運(yùn)動(dòng)是流固兩相流中的一類典型問題,出現(xiàn)在許多自然現(xiàn)象和工業(yè)過程中,例如自然界中的河流泥沙沉積、日益嚴(yán)重的沙塵暴、工業(yè)中污水中的固體雜質(zhì)處理、流化床爐中煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)以及煙氣除塵系統(tǒng)等,因此研究顆粒物在流體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和作用機(jī)理是至關(guān)重要的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為研究懸浮顆粒運(yùn)動(dòng)問題的重要手段,而傳統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)方法存在著計(jì)算量大和邊界處理復(fù)雜的缺陷;同時(shí)實(shí)驗(yàn)方法中常用的激光粒子速度場(chǎng)儀PIV(part

2、icleimagevelocimetry),粒子動(dòng)態(tài)分析儀PDA(particledynamicsanalyzer)由于無法獲得顆粒間受力情況而存在很大的局限性。作為一種新型的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù),格子Boltzmann方法(LBM)有著計(jì)算量小、邊界處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為研究流固兩相流的一種重要工具。
　　在使用LBM研究懸浮顆粒運(yùn)動(dòng)的問題中,流固兩相的邊界耦合是至關(guān)重要的,不同的處理方法的精度和計(jì)算量也不同。首先,我們使用三種

3、不同的邊界處理方法(曲邊非平衡態(tài)外推方法、Ladd的方法和亞網(wǎng)格方法)來模擬單個(gè)圓形顆粒的沉降、單個(gè)橢圓顆粒的沉降以及雙顆粒的沉降,比較了三種方法的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)果表明:廣泛使用的Ladd方法得出的結(jié)果更精確并且計(jì)算量較小。其次,在研究等溫條件下顆粒沉降的基礎(chǔ)上,我們著重研究了單個(gè)圓顆粒、單個(gè)橢圓顆粒、中性浮力顆粒、兩等溫顆粒以及兩不同溫度的顆粒在熱對(duì)流條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。單個(gè)圓顆粒的模擬結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性;橢圓顆粒的模擬結(jié)果表明:橢

4、圓顆粒在熱對(duì)流條件下隨格拉曉夫數(shù)Gr的變化呈現(xiàn)出不同的沉降軌跡;中性浮力顆粒的模擬結(jié)果表明:在較小的Gr數(shù)下置于管道不同位置的顆粒最終的平衡位置不同,在較大的Gr數(shù)下顆粒的最終平衡位置相同,并給了顆?？拷鼙诘臉O限位置;雙顆粒的模擬結(jié)果表明:兩等溫顆粒的沉降方式與雷諾數(shù)Re以及Gr密切相關(guān),而兩不同溫度的顆粒與兩等溫顆粒的沉降規(guī)律有顯著不同,無論初始位置如何,冷顆粒最終總位于熱顆粒下方運(yùn)動(dòng),Re較大時(shí)發(fā)生連續(xù)的拖曳、接觸現(xiàn)象,而Re較小