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《浙江大学》 2002年
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气粒两相湍流拟序结构的大涡模拟研究

金晗辉  
【摘要】: 气粒多相湍流流动广泛地存在于自然界和工程应用中,该领域的研究工作是工程界广泛关注的热点之一。大涡模拟作为近年来备受关注的湍流数值模拟方法,同时具有直接模拟和模型模拟的很多优点,在研究高Reynolds数气粒多相湍流流动中气相湍流拟序结构与颗粒的相互作用方面发挥了重要而独特的作用,已成为当今世界上流体力学工作者的热门研究主题。 本文主要从事气粒多相流的大涡模拟研究。文中对二维气粒两相平面尾迹流场、二维气粒两相平面射流流场以及三维气粒两相矩形射流流场中的气相流场进行了大涡模拟、对颗粒运动扩散采用Lagrangian模拟研究后,取得了一系列具有重要的理论意义和实际意义的研究成果。 在对流场特性进行全面分析的基础上,根据对气相流场采用大涡模拟,对颗粒相运动采用Lagrangian方法进行求解的思路,建立了二维气粒两相湍流流动数值模拟的数学模型。并在此基础上对气粒两相平面尾迹流动、气粒两相平面射流流动进行数值模拟。 在对上述两种流动形态的二维大涡模拟研究中,首先全面地分析了气相时均流场的速度、湍流强度的分布规律以及气相速度的脉动规律等并就部分数值模拟结果与实验结果进行了对比研究;分析了平面尾迹流场中近壁处旋涡拟序结构,全面和逼真地反映了近壁处旋涡的生成、发展和脱落的规律;描述分析了平面尾迹流和平面射流的全场流动旋涡拟序结构,从整个流场的角度反映旋涡的生成、发展、运动以及旋涡之间相互配对、合并的作用规律等。 同时还模拟研究了不同Stokes数颗粒在二维流场旋涡拟序结构作用下的运动扩散特性,详细描述了不同Stokes数颗粒在流场中的空间分布规律,认为:中等Stokes数颗粒集中于流场旋涡的外沿区域,在流场空间中的扩散率最高;小Stokes数颗粒集中于流场系列旋涡的涡核区域,在流场空间中的扩散率最低;而大Stokes数颗粒则遍布于流场旋涡涡核和涡外沿区域。 另外,文中还模拟研究了气粒两相平面射流中不同质量携带率下中等Stokes数颗粒与气相流场的相间耦合作用下气相流场的旋涡拟序结构以及颗粒运动扩散规律。认为:在一般条件下颗粒的存在会限制、迟滞流场的发展;但对于质量 2002年6月·金晗辉摘要 携带率较高的情况,在流场发展到一定程度以后颗粒的反作用会促进流场的发 展;反之,在颗粒质量携带率较高的情况下,受颗粒反作用的气相流场又会加强 颗粒在流场空间中的扩散,揭示出气粒两相相间作用在一定的颗粒质量携带率条 件下存在“共振现象”。 最后,在前面二维模拟的基础上,建立了三维气粒两相湍流流动数值模拟的 数学模型,并用此模型对气粒两相气粒两相矩形射流进行数值研究。全面地分析 了矩形射流气相时均流场的速度、湍流强度的空间分布规律,并就部分数值模拟 结果与实验结果进行了对比研究;描述分析了气相流场湍流拟序结构,对流向、 横向和展向三个方向旋涡的空间结构特点进行分析研究,并分析了流向涡随时间 变化的发展、运动规律。分析研究了微细颗粒在在矩形射流流场中的三维空间分 布、运动扩散规律特性。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TK124

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