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。
|
|
|
|
1 |
陈越南,张树道;气固两相射流的数值研究[J];水动力学研究与进展(A辑);1993年04期 |
2 |
杨任刚,张东东,何枫,许宏庆;气固两相自由射流的瞬态流场研究[J];实验流体力学;2005年01期 |
3 |
周泽宣,林建忠;高浓度气固两相射流的稳定性研究[J];科技通报;1999年03期 |
4 |
李洁;任兵;陈伟芳;;稀薄流过渡区气固两相喷流的建模与数值模拟[J];空气动力学学报;2005年04期 |
5 |
高雪莲,王国玉,刘淑艳,阎为革,潘书杰;旋转自洁式空气滤清器内部气固两相流场的计算与分析[J];北京理工大学学报;2003年06期 |
6 |
姚文俊;何正浩;邓鹤鸣;;气固两相体放电对电力系统外绝缘的影响[J];中南民族大学学报(自然科学版);2012年02期 |
7 |
常见虎;周长省;李军;郑健;;推力矢量发动机气固两相内流场数值模拟[J];系统仿真学报;2008年04期 |
8 |
赵良举;李斌;高虹;李德胜;袁悦祥;曾丹苓;;气固两相介质音速研究[J];工程热物理学报;2007年03期 |
9 |
张东东,许宏庆,何枫;气固两相射流瞬时速度场和浓度场的PIV研究[J];清华大学学报(自然科学版);2003年11期 |
10 |
朱博;王强;郭慧军;张潇玲;杜明俊;;基于双欧拉模型的流化床气固两相流场数值模拟[J];大庆石油学院学报;2011年03期 |
11 |
秦军,李伟锋,代正华,陈谋志,刘海峰,龚欣,于遵宏;受限气固两相射流的实验研究和数值模拟[J];高校化学工程学报;2005年05期 |
12 |
何玉荣,陆慧林,刘阳,刘鹏;流化床内气固两相绕流单沉浸管的流体动力计算[J];燃烧科学与技术;2003年05期 |
13 |
周浩生,陆继东,钱诗智,林良,刘德昌;复杂气固两相系统的微观结构[J];实验力学;1999年02期 |
14 |
李少华,张本贤,于静梅,张辉,董向元;除尘脱硫塔内气固两相流动数值模拟[J];东北电力学院学报;2003年02期 |
15 |
梁占刚,高保成,何榕,闫德中;方管内气固两相湍流气相速度的非线性特征识别[J];清华大学学报(自然科学版);2005年11期 |
16 |
何玉荣;孙巧群;陆慧林;刘文铁;金记英;;贴体坐标系下喷动床内气固两相流体动力特性的数值模拟[J];燃烧科学与技术;2006年01期 |
17 |
刘洪涛;张力;陈艳容;;气固两相圆柱绕流背风区颗粒的运动特性[J];重庆大学学报;2010年04期 |
18 |
史峰,马材芬,徐忠;大曲率弯道内稀薄气固两相流场试验研究[J];航空学报;1990年10期 |
19 |
蔡丹云,郑水华,樊建人,岑可法;质量浓度比对气固两相圆湍射流影响的实验研究[J];动力工程;2005年03期 |
20 |
蒋贵丰;栗晶;吴丹;柳朝晖;郑楚光;;气固两相圆湍撞击流的POD结构分析[J];工程热物理学报;2013年06期 |
|