三維氣固兩相平板間射流中相間耦合作用的直接數(shù)值模擬.pdf

1、關(guān)于氣固兩相湍流中顆粒與流體相互作用以及其中顆粒之間的碰撞問題，多年來一直是國內(nèi)外關(guān)于氣固兩相流動(dòng)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。氣固兩相平面射流作為一種典型的自由剪切流動(dòng)，在自然界與實(shí)際的工程應(yīng)用中廣泛存在。但是迄今為止，對三維氣固兩相平板間湍流射流中相間耦合的研究還很少，其中采用直接數(shù)值模擬(DNS)進(jìn)行的研究更是幾乎沒有。在這樣的背景下，本文采用DNS方法集中對不可壓縮的三維氣固兩相平板間湍流射流中相間作用規(guī)律進(jìn)行了研究。其中對流場不引入任

2、何湍流模型，采用DNS方法直接求解完整的三維非定常的Navier-Stokes方程組，對顆粒的跟蹤分別采用基于單向和雙向耦合的拉格朗日方法，顆粒之間的碰撞采用確定性的硬球模型，顆粒與流體之間的動(dòng)量耦合采用點(diǎn)力描述。主要研究內(nèi)容包括：
　　 ⑴在單向耦合情況下，單獨(dú)考察了不同Stokes的顆粒間碰撞及其對顆粒擴(kuò)散特性的影響。模擬發(fā)現(xiàn)不同Stokes數(shù)的顆粒碰撞與其擴(kuò)散特點(diǎn)及流場擬序渦結(jié)構(gòu)的演化有著密切的關(guān)系，盡管整個(gè)流場的顆粒平均

3、濃度較低，但是在顆粒局部聚集的較高濃度區(qū)域都可以觀察到顆粒碰撞的發(fā)生。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，顆粒的局部聚集效應(yīng)是較小慣性顆粒發(fā)生碰撞的主導(dǎo)因素，而較大慣性顆粒的碰撞現(xiàn)象則主要受湍流輸運(yùn)作用的影響。此外，顆粒碰撞使得顆粒在流場中的分布更加均勻，擴(kuò)散程度也有所增加。對于流場中顆粒尺寸按照Rosin-Rammler函數(shù)分布時(shí)的研究發(fā)現(xiàn)，不同粒徑顆粒混合的情形下，流場中顆粒發(fā)生碰撞的次數(shù)明顯變多了，碰撞對顆粒擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響也明顯了.
　　 ⑵采

4、用雙向耦合的方法，對流場中顆粒與流體之間的相互作用進(jìn)行了詳細(xì)的研究。計(jì)算時(shí)，為了得到更為真實(shí)準(zhǔn)確的結(jié)果，沒有采用計(jì)算顆粒的概念，而是對不同載荷下流場中的實(shí)際顆粒數(shù)目進(jìn)行了跟蹤。模擬結(jié)果表明不同Stokes數(shù)的顆粒都改變了流場擬序渦結(jié)構(gòu)的發(fā)展演化，對于同一種Stokes數(shù)的顆粒而言，顆粒固相載荷越大，對流場渦結(jié)構(gòu)的影響越明顯。顆粒使得流場流向平均速度剖面變高變窄了，降低了流場的橫向平均速度和脈動(dòng)速度。相同載荷的情況下，Stokes數(shù)為0.

5、5和1的兩種顆粒對流場平均速度的改變程度要更明顯。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，顆粒使射流中心線上的流向平均速度衰減變慢了，且在相同載荷的情況下，Stokes數(shù)為0.5較小顆粒影響更明顯。所有顆粒都增加了流場橫向兩側(cè)的湍流強(qiáng)度，減小了流場湍動(dòng)能和雷諾應(yīng)力。此外，還發(fā)現(xiàn)雙向耦合效應(yīng)對顆粒運(yùn)動(dòng)及擴(kuò)散的影響也不容忽視，雙向耦合效應(yīng)使不同Stokes數(shù)顆粒的擴(kuò)散特點(diǎn)都發(fā)生了變化，并且改變了顆粒在流場中的擴(kuò)散程度、運(yùn)動(dòng)速度、濃度以及能量分布情況。
　　 ⑶考

6、慮四向耦合效應(yīng)對較低載荷情況下的三維氣固兩相射流中的相間耦合作用作了進(jìn)一步的探討。通過對顆粒間的碰撞進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)碰撞主要集中分布在流場的中心區(qū)域、顆粒碰撞次數(shù)與顆粒在流場中的濃度、運(yùn)動(dòng)速度和顆粒粒徑都有關(guān)系，其中stokes數(shù)為100的顆粒在流場中碰撞發(fā)生的次數(shù)最多。同時(shí)發(fā)現(xiàn)顆粒碰撞對流場統(tǒng)計(jì)特性產(chǎn)生了不同程度的影響，各種Stokes數(shù)的顆粒碰撞作用都加快了氣相中心速度的衰減、增強(qiáng)了流場的總湍流強(qiáng)度。但是在較低固相載荷的情形下，