水平槽道氣固兩相湍流變動的PIV實驗研究和直接數值模擬.pdf

1、兩相湍流的變動機理一直是多相流研究領域的熱點和難點。由于相間作用的復雜性，盡管這方面已經開展了大量工作并取得了一定成果，但在很多方面仍然認識不足，尤其是低載荷下的湍流變動。本文將從實驗和模擬兩個方面對水平槽道稀疏氣固兩相湍流變動規(guī)律進行研究，重點關注壁面湍流邊界層中由顆粒引起的擬序結構變動。
　　 本文首先采用高解析度PIV兩相同時測量技術，對水平槽道氣固兩相湍流下邊界層進行測量。顆粒相采用直徑60μm和110μm的聚乙烯微珠，

2、質量載荷從2.5×10-4 到5×10-3，壁面剪切雷諾數為Reτ=430。實驗結果表明，顆粒的存在抑制了湍流擬序結構，使得湍流的準流向結構長度減小、猝發(fā)頻率降低、猝發(fā)強度減弱，進而引起了法向脈動速度和剪切雷諾應力在湍流核心區(qū)的減小。另外，顆粒的尾渦還導致了法向脈動速度和剪切雷諾應力在壁面附近的增大。顆粒通過拖曳力作用，使得氣相流向速度梯度在邊界層外層減小，而在粘性底層增加，與此同時粘性底層的厚度也隨之減小。這一結果導致了壁面附近的流向

3、脈動速度峰值增大，并且峰值所在的位置也更加靠近壁面。正因為如此，氣相流向脈動速度分布曲線才呈現出在壁面附近減小，而靠近槽道中心增加的趨勢。
　　 論文進而通過直接數值模擬和拉格朗日顆粒跟蹤方法對Reτ=150的槽道兩相湍流進行了模擬。首先在單向耦合條件下，分別模擬了St=1、5和25 三種顆粒的擴散行為，結果表明顆粒在壁面低速條紋區(qū)的富集現象不同于均勻各向同性以及自由剪切湍流，當Stokes 數位于10～100之間時，顆粒在低速

4、條紋區(qū)的富集現象最顯著。接著在兩向耦合條件下，檢查了水平和豎直槽道中由銅珠顆粒（St=200）引起的湍流變動，結果表明重力導致了水平與豎直槽道中的湍流變動差異，并且豎直槽道中顆粒在低速條紋區(qū)的富集現象也比在水平槽道中更加強烈。最后，應用Jeong et al.（1995，1997）
　　 提出的渦結構識別方法，提取并對比了水平和豎直槽道中顆粒加入前后的準流向渦特征結構，可以清楚地發(fā)現水平槽道中顆粒使得準流向渦的長度和直徑都有所減

5、小，而豎直槽道中則都有所增加；通過檢查準流向渦中心截面（x+=0）上的速度脈動、剪切雷諾應力、渦量和壓力分布，可以發(fā)現顆粒抑制了的準流向渦強度，并且顆粒在水平槽道中抑制作用大于豎直槽道。
　　 通過本文的實驗和模擬研究結果表明，槽道湍流中低載荷下的湍流變動源自于顆粒對邊界層湍流擬序結構的調制作用，顆粒通過改變壁面附近的準流向渦結構來影響了全流場的湍流屬性。此外，氣固兩相湍流中的顆粒運動由自身慣性控制，水平槽道中的顆粒在重力沉降作