管束間氣固兩相流動(dòng)的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、湍流問(wèn)題一直以來(lái)是個(gè)本學(xué)科的難題，而氣固兩相的湍流問(wèn)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(wèn)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(wú)法描述流動(dòng)的精確結(jié)構(gòu)等缺點(diǎn)讓直接數(shù)值模擬的方法在這個(gè)方面隨著高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而飛速發(fā)展。在自然界和實(shí)際工程應(yīng)用中，氣固兩相的管束繞流都比較典型。對(duì)它的研究既有助于對(duì)氣固兩相流動(dòng)的機(jī)理的理解，又可以為相關(guān)工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。在這樣的背景下，本學(xué)位論文集中開展

2、對(duì)氣固兩相管束繞流進(jìn)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(dòng)，本文采用了高精度緊致差分結(jié)合虛擬體的數(shù)值方法對(duì)多個(gè)圓管尾流進(jìn)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(dòng)，錯(cuò)列三管和并列四管的氣固兩相流動(dòng)，最后采用并行計(jì)算方法研究了5×5順列的管束流動(dòng)。在對(duì)管束模擬研究之前首先對(duì)單管的繞流進(jìn)行了算法的正確性和精確性進(jìn)行了驗(yàn)證，文中的數(shù)值實(shí)驗(yàn)精確的捕捉到了三維轉(zhuǎn)捩下尾跡中的A、B模式。在對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行高精度模

3、擬的基礎(chǔ)上，計(jì)算顆粒場(chǎng)時(shí)采用Lagrange方法追蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)，精確的計(jì)算每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)情況。并且通過(guò)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(kuò)散情況。 在一前一后排列的雙管下計(jì)算了三種不同間距(T/d=1．2、2.0、3.0)且Re=250的條件下對(duì)流場(chǎng)和顆粒場(chǎng)的影響，結(jié)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(duì)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(gè)渦

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

5、粒擴(kuò)散特性也受這三種典型尾跡模式的相應(yīng)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(jié)構(gòu)；中等間距下(T/d=2.0)，此時(shí)流場(chǎng)形成了一個(gè)寬尾跡和一個(gè)窄尾跡，同樣顆粒的擴(kuò)散模式也由于兩個(gè)渦街摻混而變得較為混亂；大間距下(T/d=3.0)，流場(chǎng)形成了兩個(gè)對(duì)稱的渦街，顆粒的擴(kuò)散也明顯的表現(xiàn)出對(duì)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(shí)候(St=0.1)顆?？梢猿錆M渦核，而

6、大顆粒則不行。 計(jì)算了錯(cuò)列三管和并列四管條件下的氣固兩相流動(dòng)，在詳盡的考察了雙管的基礎(chǔ)上選取了工程結(jié)構(gòu)中常見的T/d=2.0管間距。錯(cuò)列三管流場(chǎng)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)了隨著時(shí)間的推移流場(chǎng)會(huì)從對(duì)稱發(fā)展到非對(duì)稱的模式。而四管的流場(chǎng)模擬結(jié)果基本呈對(duì)稱分布。顆粒場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果表明：錯(cuò)列三管條件下第二排的單管受碰撞強(qiáng)烈，顆粒擴(kuò)散表現(xiàn)為非對(duì)稱的分布，而且會(huì)有周期上下擺動(dòng)的特點(diǎn)呈現(xiàn)；而并列四管條件下顆粒則呈對(duì)稱的結(jié)構(gòu)分布在尾跡中。最后對(duì)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(shí)現(xiàn)以減少誤差。在計(jì)算機(jī)集群上實(shí)現(xiàn)了管束繞流的并行算法，并介紹了MPI并行實(shí)踐中的具體經(jīng)驗(yàn)。對(duì)管束的流動(dòng)進(jìn)行了研究，其中包括分析瞬時(shí)的流場(chǎng)變化，對(duì)管束流動(dòng)中的擬序結(jié)構(gòu)做了討論。由于多個(gè)擬序的渦結(jié)構(gòu)在下游不斷的相互作用使得尾跡中的渦結(jié)構(gòu)越來(lái)越混亂。從計(jì)算的數(shù)值結(jié)果來(lái)看：管束中央流動(dòng)較為規(guī)則，原因是由于上游的管束產(chǎn)生的渦脫對(duì)后排起到了抑制的作用?？梢缘玫?，中間的流動(dòng)基本上為狹縫射流和