两相流动气体湍流变动模型和稠密两相湍流模型的研究

【摘要】：目前的各种双流体两相湍流模型中,气相的雷诺应力模拟结果与实验值尚有较大出入,原因是颗粒产生的气相湍流变动模型不合理。稠密湍流两相流动中颗粒间碰撞和颗粒湍流之间有相互作用,但是目前还缺乏综合考虑颗粒间碰撞和各向异性颗粒湍流的双流体模型。本文从实验、理论模型和数值模拟方面研究了两相流动的气相湍流变动模型和考虑颗粒间碰撞的稠密两相湍流模型。 在实验研究方面,用PDPA对轴对称突扩两相流动中颗粒产生的气相湍流变动进行了测量。发现在分离流动中平均粒径为150μm 的颗粒在上游正流区内增强了气体湍流;在逆流区以及下游区域内削弱了气体湍流。 在理论模型方面,本文提出了两相流气相湍流变动的双时间尺度耗散模型,包括气相耗散率的双时间尺度耗散和两相速度关联的双时间尺度各向异性耗散模型,以及考虑颗粒尾涡效应的湍流变动模型。本文将二阶矩两相湍流模型和颗粒动力学理论结合,提出了各向异性的二阶矩稠密两相湍流模型。 在数值模拟方面,将两相流气相湍流变动模型应用于轴对称突扩有旋和无旋流动以及圆管流动。模拟结果表明:双时间尺度耗散的湍流变动模型对气相脉动速度的预报结果比原有的单时间尺度模型的预报结果有明显的改进;考虑颗粒尾涡效应的两相流气相湍流变动模型预报出了颗粒增强湍流的现象。将各向异性的二阶矩稠密两相湍流模型应用于狭窄水平槽道和下行床内两相流动,预报的颗粒浓度和速度分布和实验结果符合较好, 比只考虑颗粒间碰撞或只考虑颗粒湍流的模型的结果更合理。预报的颗粒雷诺应力更接近实验值,模拟出了颗粒雷诺应力的各向异性和在各方向上的重新分配,比各向同性的模型的结果更合理。