气固两相自由剪切流动的直接数值模拟和实验研究

【摘要】：众所周知,湍流问题是个世纪难题。经过众多科学家百余年来的艰辛探索,迄今为止这一问题尚未得到彻底解决。对于更加复杂和广泛存在的气固两相流动问题,人类势必需要付出更多的辛勤耕耘。传统上,对湍流和气固两相流的数值模拟研究主要采用的是基于雷诺平均的湍流模型和气固两相流模型。这样得到的数值解是一种近似的平均解,无法了解流动的瞬时特性,更无从深入探索气固两相流动的内在物理机制。另一方面,现代高性能计算机的出现和应用,为湍流和气固两相流的研究提供了一个新的思路—直接数值模拟(DNS)。它不引入任何湍流模型,而是通过数值求解完整的Naviver—Stokes方程组,能得到包括Kolmogorov微尺度脉动运动在内的所有湍流瞬时流动量在三维空间中的演变。从而为湍流和气固两相流的研究注入新的活力,带来新的发展机遇。 在自然界和实际的工程应用中,气固两相自由剪切流动比较典型。对它的研究既有助于对湍流的根本机理和气固两相间相互作用机理的理解,又可以为相关的工程应用提供指导,还可以为更加复杂的气固两相流的理论发展和实验研究提供参考。因此,开展对气固两相自由剪切流动的研究不仅具有重要的学术理论意义,也有广泛的工程应用价值。在这样的背景下,本学位论文集中开展对气固两相自由剪切流动进行直接数值模拟的研究。具体涉及到对三维气固两相平面混合层、二维气固两相平面射流和三维气固两相平面射流的研究。着重考察自由剪切流动中气相流体拟序结构的演化规律、不同Stokes数颗粒的扩散特性和扩散机理、以及颗粒对气相流动特性的影响所造成的湍流变动。 在对三维气固两相平面混合层的研究中,假定流动为时间发展模式的、不可压缩的流动,颗粒初始时刻仅布置在流场上半侧的高速区。流场控制方程的求解采用拟谱算法,颗粒的跟踪分别采用单向、双向耦合的拉格朗日方法。结果发现,初始时刻位于流场上半侧的颗粒向下半侧的扩散程度跟颗粒的Stokes数成反比。颗粒的Stokes数越小,向流场下半侧的扩散越多,意味着颗粒跟流体的混合越充分。流场大涡结构对Stokes数为1的量级的中等颗粒的影响最强,使得这种颗粒大量聚集在涡结构的外围,浓度分布最不均匀;而其它颗粒在流场中的分布都比较均匀。双向耦合的模拟中,不仅观测到跟以往研究结果相似的现象,而且有新的发现。以往的研究大都认为,小尺寸颗粒由于耗散会衰减湍流,大尺寸颗粒由于尾迹作用会增强湍流。而本部分的DNS结果则表明,在混合层大涡结构的卷起和配对过程中,Stokes数为5的同一种颗粒对气相湍流特性的影响是完全不同的。在大涡结构的卷起过程中,颗粒削弱了流体基波、亚偕波能量、总的湍动能和湍流强度等;而在大涡结构配对过程中,趋势则相反,颗粒都增强了这些量。颗粒的这种削弱和增强作用跟颗粒的质量携带率成正比关系。