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湍流与颗粒相互作用的直接数值模拟研究

吴凡  
【摘要】:气固两相流动问题广泛地存在于航空航天、船舶舰艇、能源、动力、化工等领域。由于颗粒相与流动相之间在时间、空间尺度上的跨度以及各自复杂的运动特性,对气固两相流进行研究的重要性显然是一个广泛的共识。先前学界在对气固两相流动问题进行研究时大多采用点源模型方法,颗粒在流场中只是被当作一个质点。由于其无法考虑颗粒体积效应以及颗粒表面与流体间相互影响,得到的结果并不能完全解释颗粒与气体湍流间的某些现象。本文采用了颗粒全尺度方法,对考虑体积的颗粒在湍流中的运动进行了研究。首先通过改良一个各向同性湍流场将其拓展成为无周期性区域,在较小的计算代价下模拟了单个颗粒在无限长湍流中运动的情况,将结果与其他方法获得的结果进行了详细的对比后,验证了当前全尺度方法在湍流状态下的准确性。为了研究颗粒间相对位置对各自的影响,模拟了两个前后放置的不同间距的颗粒在不同湍流强度以及颗粒雷诺数条件下的湍流环境中的运动情况,研究了颗粒与湍流间的调制以及不同颗粒间距下颗粒间的受力情况。随后本文研究了全尺度颗粒在壁面湍流中的运动,开发了一个适用于内嵌边界方法的软球碰撞模型,规避了常用的存在误差的反冲碰撞模型,通过湍流边界层入口数据库建立了完全发展的单相湍流边界层并用于两相湍流边界层模拟的初始条件。为了了解解析体积的颗粒相的引入对湍流边界层造成何种影响以及相比采用点源模型得到的两相湍流边界层结果有何不同,对单相湍流边界层和两相湍流边界层的结果进行了对比,讨论了颗粒对湍流边界层的发展产生了怎样的影响以及颗粒在湍流边界层中的运动、分布规律。这也是学界首次进行的全尺度颗粒在两相湍流边界层中的模拟研究,得到的结果具有非常重要的价值。


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