擾動(dòng)條件下氣固兩相圓柱繞流的直接數(shù)值模擬.pdf

1、本文使用直接數(shù)值模擬方法研究了三維氣固兩相圓柱繞流，迄今為止，使用直接數(shù)值模擬方法對(duì)氣固兩相圓柱繞流進(jìn)行三維的模擬所得到的研究成果還不是很豐富。本文在較為系統(tǒng)的回顧和總結(jié)近期圓柱繞流以及氣固兩相圓柱繞流研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過(guò)三維的直接數(shù)值模擬，對(duì)流場(chǎng)入口條件對(duì)氣固兩相圓柱繞流運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的研究，取得了一些具有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的創(chuàng)新性成果。 本文的求解對(duì)象是具有不可壓縮性質(zhì)的流場(chǎng)控制方程組，并且采用單相耦合的方

2、法模擬各種典型雷諾數(shù)和典型顆粒大小情況下流場(chǎng)流動(dòng)和顆粒場(chǎng)擴(kuò)散行為受到流場(chǎng)入口條件的影響。DNS的數(shù)值方法基于高精度緊致差分方法。本文采用Lele在1992年的綜述中提出的4階精度的緊致差分格式離散空間導(dǎo)數(shù)，同時(shí)時(shí)間步進(jìn)采用Jameson提出的低存儲(chǔ)量要求的4階Runge-Kutta格式。邊界條件的設(shè)置采用Orlanski的無(wú)反射邊界條件來(lái)捕捉瞬態(tài)流動(dòng)中的Karman渦街。數(shù)值結(jié)果揭示出的和Williamson經(jīng)典試驗(yàn)相一致的流場(chǎng)流動(dòng)的A

3、，B模式的出現(xiàn)證明了這種方法是成功的。 本文首先用DNS方法模擬了均勻來(lái)流速度進(jìn)口條件和非均勻來(lái)流速度進(jìn)口條件下三維氣固兩相圓柱繞流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和顆粒在流場(chǎng)中的擴(kuò)散行為。對(duì)于兩種來(lái)流條件，都對(duì)兩種雷諾數(shù)200、180和兩種顆粒大小斯托克斯數(shù)為1、斯托克斯數(shù)為0.01，組合四種情況進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果得到了圓柱繞流向三維轉(zhuǎn)捩的過(guò)程，成功的捕捉到了Karman渦街，觀察到了A，B模式的出現(xiàn)。將非均勻來(lái)流速度進(jìn)口條件下計(jì)算所得到的結(jié)果和

4、均勻來(lái)流速度進(jìn)口條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較可以看到：在流場(chǎng)流動(dòng)中，非均勻來(lái)流加速了流場(chǎng)向三維的轉(zhuǎn)捩，而且在展向上的渦卷起的強(qiáng)度更大。在顆粒的擴(kuò)散上，非均勻來(lái)流對(duì)于顆粒在y坐標(biāo)方向上的擴(kuò)散的影響并不大，但是對(duì)于顆粒在z坐標(biāo)方向上的擴(kuò)散卻是有十分巨大的區(qū)別，非均勻來(lái)流大大的促進(jìn)了顆粒在z坐標(biāo)方向上的擴(kuò)散，無(wú)論是在雷諾數(shù)為200，180，顆粒斯托克斯數(shù)為0.01，1的各種情況下。 本文的第二部分轉(zhuǎn)而考察顆粒進(jìn)口速度分布的不同對(duì)于顆粒在圓

5、柱尾流中擴(kuò)散行為的影響，其中采用了顆粒速度大小和速度方向均符合正態(tài)分布來(lái)代表非均勻顆粒進(jìn)口速度分布。同第一部分相同，對(duì)于兩種顆粒速度進(jìn)口分布都針對(duì)兩種雷諾數(shù)200、180和兩種顆粒斯托克斯數(shù)1、0.01進(jìn)行了模擬計(jì)算。計(jì)算的結(jié)果表明：顆粒進(jìn)口速度分布的不同對(duì)于顆粒在圓柱尾流中擴(kuò)散水平的影響很大程度上取決于顆粒慣性和流場(chǎng)對(duì)顆粒大小作用的量級(jí)是否可以比較，大顆粒的慣性在流向上和展向上都可以與流場(chǎng)作用相比，所以非均勻顆粒速度進(jìn)口分布對(duì)于顆粒擴(kuò)