管束間氣固兩相流動的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、湍流問題一直以來是個本學科的難題，而氣固兩相的湍流問題則更是如此。盡管很多研究者探索取得了一定的成果，但這一問題仍未得到徹底的解決。傳統(tǒng)的研究氣固兩相湍流數(shù)值模擬是基于平均的思想，其無法描述流動的精確結構等缺點讓直接數(shù)值模擬的方法在這個方面隨著高性能計算機的出現(xiàn)而飛速發(fā)展。在自然界和實際工程應用中，氣固兩相的管束繞流都比較典型。對它的研究既有助于對氣固兩相流動的機理的理解，又可以為相關工程應用提供指導。在這樣的背景下，本學位論文集中開展

2、對氣固兩相管束繞流進行直接數(shù)值模擬的研究。 為了研究氣固兩相繞管束的流動，本文采用了高精度緊致差分結合虛擬體的數(shù)值方法對多個圓管尾流進行了三維的直接數(shù)值模擬。具體研究了典型的雙管排列的氣固兩相流動，錯列三管和并列四管的氣固兩相流動，最后采用并行計算方法研究了5×5順列的管束流動。在對管束模擬研究之前首先對單管的繞流進行了算法的正確性和精確性進行了驗證，文中的數(shù)值實驗精確的捕捉到了三維轉捩下尾跡中的A、B模式。在對流場進行高精度模

3、擬的基礎上，計算顆粒場時采用Lagrange方法追蹤顆粒的運動，精確的計算每個顆粒的運動情況。并且通過定量和定性的比較了Re=250條件下不同顆粒粒徑和不同間距下顆粒的擴散情況。 在一前一后排列的雙管下計算了三種不同間距(T/d=1．2、2.0、3.0)且Re=250的條件下對流場和顆粒場的影響，結果表明此種方式的排列并未在展向上形成渦肋，后一根管對前管起到了抑制展向渦旋產(chǎn)生的作用，而且三種間距條件下后一根管的尾跡均表現(xiàn)為單個渦

4、街的特征，只是其后的回流區(qū)會隨著兩管間距的增大而減??；而在不同的St數(shù)下(0.1、1、10)顆粒展現(xiàn)了不同的擴散分布，如在St數(shù)比較小的時候(St=0.1)顆?？梢猿錆M渦核，而大顆粒則不行；同時研究了雙管間無渦旋到有渦旋對顆粒擴散的影響。 在并列排列的雙管下也同樣計算了三種典型間距(T/d=1.2、2.0、3.0)且Re=250，從計算的流場結果分析可以得到單尾跡、一寬一窄尾跡和對稱尾跡的氣相場流動特點，并與實驗結果非常一致；顆

5、粒擴散特性也受這三種典型尾跡模式的相應影響：在小間距下(T/d=1.2)顆粒尾跡也形成了近似的單渦街結構；中等間距下(T/d=2.0)，此時流場形成了一個寬尾跡和一個窄尾跡，同樣顆粒的擴散模式也由于兩個渦街摻混而變得較為混亂；大間距下(T/d=3.0)，流場形成了兩個對稱的渦街，顆粒的擴散也明顯的表現(xiàn)出對稱的分布；而在不同的St數(shù)下(0.1、1、10)，整體上也和一前一后排列一樣，在St數(shù)比較小的時候(St=0.1)顆?？梢猿錆M渦核，而

6、大顆粒則不行。 計算了錯列三管和并列四管條件下的氣固兩相流動，在詳盡的考察了雙管的基礎上選取了工程結構中常見的T/d=2.0管間距。錯列三管流場模擬結果發(fā)現(xiàn)了隨著時間的推移流場會從對稱發(fā)展到非對稱的模式。而四管的流場模擬結果基本呈對稱分布。顆粒場的計算結果表明：錯列三管條件下第二排的單管受碰撞強烈，顆粒擴散表現(xiàn)為非對稱的分布，而且會有周期上下擺動的特點呈現(xiàn)；而并列四管條件下顆粒則呈對稱的結構分布在尾跡中。最后對于5×5的順列管束

7、，本文采用了分塊并行的思想，交界面的數(shù)據(jù)傳遞采用D-D方式實現(xiàn)以減少誤差。在計算機集群上實現(xiàn)了管束繞流的并行算法，并介紹了MPI并行實踐中的具體經(jīng)驗。對管束的流動進行了研究，其中包括分析瞬時的流場變化，對管束流動中的擬序結構做了討論。由于多個擬序的渦結構在下游不斷的相互作用使得尾跡中的渦結構越來越混亂。從計算的數(shù)值結果來看：管束中央流動較為規(guī)則，原因是由于上游的管束產(chǎn)生的渦脫對后排起到了抑制的作用?？梢缘玫?，中間的流動基本上為狹縫射流和