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《华中科技大学》 2010年
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水平槽道气固两相湍流变动的PIV实验研究和直接数值模拟

栗晶  
【摘要】:两相湍流的变动机理一直是多相流研究领域的热点和难点。由于相间作用的复杂性,尽管这方面已经开展了大量工作并取得了一定成果,但在很多方面仍然认识不足,尤其是低载荷下的湍流变动。本文将从实验和模拟两个方面对水平槽道稀疏气固两相湍流变动规律进行研究,重点关注壁面湍流边界层中由颗粒引起的拟序结构变动。 本文首先采用高解析度PIV两相同时测量技术,对水平槽道气固两相湍流下边界层进行测量。颗粒相采用直径60μm和110μm的聚乙烯微珠,质量载荷从2.5×10-4到5×10-3,壁面剪切雷诺数为Reτ=430。实验结果表明,颗粒的存在抑制了湍流拟序结构,使得湍流的准流向结构长度减小、猝发频率降低、猝发强度减弱,进而引起了法向脉动速度和剪切雷诺应力在湍流核心区的减小。另外,颗粒的尾涡还导致了法向脉动速度和剪切雷诺应力在壁面附近的增大。颗粒通过拖曳力作用,使得气相流向速度梯度在边界层外层减小,而在粘性底层增加,与此同时粘性底层的厚度也随之减小。这一结果导致了壁面附近的流向脉动速度峰值增大,并且峰值所在的位置也更加靠近壁面。正因为如此,气相流向脉动速度分布曲线才呈现出在壁面附近减小,而靠近槽道中心增加的趋势。 论文进而通过直接数值模拟和拉格朗日颗粒跟踪方法对Reτ=150的槽道两相湍流进行了模拟。首先在单向耦合条件下,分别模拟了St=1、5和25三种颗粒的扩散行为,结果表明颗粒在壁面低速条纹区的富集现象不同于均匀各向同性以及自由剪切湍流,当Stokes数位于10-100之间时,颗粒在低速条纹区的富集现象最显著。接着在两向耦合条件下,检查了水平和竖直槽道中由铜珠颗粒(St=200)引起的湍流变动,结果表明重力导致了水平与竖直槽道中的湍流变动差异,并且竖直槽道中颗粒在低速条纹区的富集现象也比在水平槽道中更加强烈。最后,应用Jeong et al. (1995,1997)提出的涡结构识别方法,提取并对比了水平和竖直槽道中颗粒加入前后的准流向涡特征结构,可以清楚地发现水平槽道中颗粒使得准流向涡的长度和直径都有所减小,而竖直槽道中则都有所增加;通过检查准流向涡中心截面(x+=0)上的速度脉动、剪切雷诺应力、涡量和压力分布,可以发现颗粒抑制了的准流向涡强度,并且颗粒在水平槽道中抑制作用大于竖直槽道。 通过本文的实验和模拟研究结果表明,槽道湍流中低载荷下的湍流变动源自于颗粒对边界层湍流拟序结构的调制作用,颗粒通过改变壁面附近的准流向涡结构来影响了全流场的湍流属性。此外,气固两相湍流中的颗粒运动由自身惯性控制,水平槽道中的颗粒在重力沉降作用下与壁面发生碰撞并反弹,形成跳跃运动,并由此产生了颗粒的速度脉动,同时也引起强烈的轨道交叉作用。由于模拟中采用了点源颗粒模型,模拟结果与PIV测量结果在壁面附近仍存在较大差异,表明壁面约束两相湍流中的颗粒体积对湍流变动的影响不能忽略。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TK124

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