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复杂两相流动中颗粒碰撞的DEM-LES/DNS耦合模拟研究

桂南  
【摘要】:本文的研究内容分成三部分,分别对颗粒流、流化床及旋转射流中颗粒碰撞及其相关现象采用了离散元-大涡模拟/直接模拟耦合方法(DEM-LES/DNS)进行了数值研究。其中,颗粒流的模拟方法主要离散元模拟,同时采用了实验手段作为参照和验证;流化床的模拟方法主要为离散元-大涡模拟耦合方法;旋转射流的模拟方法主要为离散元-直接模拟耦合方法。 在颗粒流的研究方面,本文首先采用高速摄影和PTV算法对惯性颗粒的碰撞率的统计特性进行了研究,获得了颗粒碰撞率与颗粒浓度、直径、平均相对速度的统计关系式,并对重力场的效应进行了分析讨论。其次,本文采用直接模拟及离散元硬球碰撞模型耦合的数值手段,对均匀各向同性湍流中不同St数的颗粒碰撞率进行了进一步研究,以研究湍流影响下颗粒碰撞率的统计关系式,并进一步分析了小颗粒的碰撞凝并效应。接着,本文采用离散元硬球碰撞模型对波形转鼓内颗粒运动特性采用能量分析和角动量分析的手段进行了研究,分析了波形鼓边界的波数、振幅和转速对颗粒运动的影响。最后,本文采用离散元软球碰撞模型对圆形转鼓内颗粒混合特性,包括混合界面的分形维、混合过程的信息熵特性等进行了分析研究。 在流化床的研究方面,本文首先采用离散元-大涡模拟耦合方法对三维小尺度带埋管流化床进行了模拟研究,分析了流化床内气固两相的相间作用的变化特性和颗粒-埋管碰撞及埋管磨损的分布特性。接着,本文采用同样的方法对两维脉动流化床进行了模拟研究,研究了脉动流态化对气固两相作用力、床层压降、颗粒脉动特性等的调制作用,并分析了脉动流态化对颗粒-埋管碰撞特性的影响。最后,本文采用同样的方法对局部气流扰动对颗粒-埋管碰撞特性的影响进行了细致研究,分别对两维少数埋管、两维管排、三维侧风等情形进行了研究,论证并揭示了局部气流扰动对颗粒-埋管碰撞规律变动的机理。 在旋转射流的研究方面,本文首先采用直接模拟方法对气相旋流的涡破裂现象进行了直接模拟研究,揭示了涡破裂区域流动标量的拟序振荡特性。接着采用同样的方法对气相旋流的涡核三维结构进行研究,揭示了不同旋流数下涡核的拓扑结构;并对旋流场的基本统计特性,包括平均速度分布、脉动速度分布曲线等进行了研究。然后,本文对气固两相旋流中颗粒受力特性、扩散及分布特性、扩散的影响因素等进行了系统研究,定量分析了不同特性颗粒的受力情况、揭示了不同特性颗粒扩散的分布形态及影响颗粒的扩散的主导因素等。最后,本文采用硬球模型-直接模拟耦合方法对气固两相旋流中的不同St数颗粒碰撞的分布及于颗粒速度的关系、碰撞与湍流性质的依赖性和关联性、碰撞对湍流的调制效应、湍流雷诺应力对颗粒碰撞的相关性等等进行了细致研究。


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