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《浙江大学》 2012年
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基于FD/SI方法的颗粒悬浮流直接数值模拟研究

施杨  
【摘要】:颗粒悬浮流广泛存在于自然界和多种工业生产中,深入研究颗粒悬浮流的动力学行为及其机理不但有助于人们认识自然,同时也可为工程应用提供理论依据和指导。近年来,直接数值模拟方法因其能够更精确地同时给出颗粒悬浮流的微观和宏观信息,得到研究者越来越多的重视。目前针对常规颗粒悬浮流的直接数值模拟研究已有很多,并取得了丰硕的成果,但对于受到电场、温度场等作用的复杂颗粒悬浮流的直接数值模拟研究工作还相对缺乏。本论文主要针对这类复杂颗粒悬浮流,进行了直接数值模拟方法及其应用的研究。 本论文首先将虚拟区域法和尖锐界面法结合,提出了一种新的直接数值模拟方法——FD/SI方法。该方法基于固定的笛卡尔网格进行计算,用FD方法求解流场,用SI方法求解电场与温度场,因而具有较高的模拟精度和效率。然后,本文应用FD/SI方法对二维和三维颗粒介电泳、带热传递颗粒悬浮流和颗粒熔化等问题进行了直接数值模拟研究。 针对颗粒介电泳,本文提出了计算介电泳力的SI/MST方法,该方法可以很好地捕捉颗粒-流体分界面上的电场间断,因而具有很高的计算精度。与传统的偶极近似方法的对比验证表明:当颗粒尺度远小于当地电场变化尺度时,通过两种方法得到的介电泳力较吻合;然而,当在颗粒尺度上电场发生剧烈变化时(如颗粒处于电极附近,或颗粒与其他颗粒的间距很小),偶极近似方法则不适用。应用上述方法,本文对颗粒的常规介电泳和行波介电泳进行了精确的直接数值模拟,结果表明:基于方腔捕获器,可实现针对不同介电参数颗粒的捕获和分离。基于行波介电泳,可实现不同介电参数颗粒的定向输运。对于颗粒群的常规介电泳,在外加均匀电场下,颗粒将沿电场方向形成串状结构。在外加非均匀电场下,不同介电参数的颗粒,可以通过正、负介电泳运动实现分离。 针对带热传递的颗粒悬浮流,本文首次将SI方法应用于颗粒-流体耦合温度方程的求解,并重点研究了颗粒对方腔自然对流和Couette流传热特性的影响。对含固定颗粒的三维方腔自然对流的研究表明:当方腔内自然对流较弱时,颗粒-流体的热导率之比kr主要影响的是热扩散,并且kr越大热扩散越强,系统传热效率也就越高;当方腔内自然对流达到一定强度,kr则主要影响热对流,由于kr越大热对流越弱,系统的传热效率也就越低。对颗粒悬浮Couette流传热特性的研究表明:系统的传热效率随着固体颗粒体积分数、雷诺数、普朗特数以及颗粒-流体热导率之比的增大而提高,随着颗粒-流体比热容之比的增大而降低。 针对颗粒在高温来流中的熔化问题,本文首先通过调整拟体力的施加方式,将FD/SI方法应用于二维颗粒熔化过程的直接数值模拟,并对圆形和椭圆形颗粒的熔化特性进行了研究,结果表明:在一定的参数取值范围内,静止的圆形颗粒在强迫对流中熔化的无量纲时间tm≈0.4589Re0.35976Pr0.6561Ste-0.9332。对于质量一定的椭圆形颗粒,长短轴之比较大,且长轴与来流方向一致的情况下,颗粒的熔化速度较快。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O35

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