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三维槽道内气粒两相湍流的大涡模拟与统计

翁磊  
【摘要】:对于各种壁面约束流动,近壁区域流动的拟序结构与颗粒间的相互作用是两相湍流机理研究中极其重要的课题,对于构造先进的颗粒相壁面边界条件模型和深入理解湍流变动机制都极具意义。 本论文以槽道流动这一简单的原型系统为对象,对槽道湍流和槽道气粒两相湍流开展了三维大涡模拟(LES)的初步研究。其中气相控制方程组采用二阶中心差分方法求解,气相亚网格尺度(SGS)使用动态粘性亚网格模型封闭,动量-压力耦合采用分步投影算法,泊松方程采用基于FFT的快速求解,颗粒的拉氏控制方程采用二阶龙格-库塔积分,颗粒位置上的流体速度采用二阶拉格朗日插值由气相场得到。采用该程序,首先模拟计算了三维槽道内雷诺数为180的纯气相流动,统计得到的流体的平均速度、脉动速度等结果与文献中的DNS结果定量一致,并成功模拟得到了近壁区的猝发现象和核心区的条带结构。本文进而分别模拟计算了Re(=180的槽道湍流内的St为0.5, 5和36三种颗粒的扩散行为,结果表明:颗粒的流向平均速度和流向脉动速度在壁面附近均不为零,且颗粒St愈大,边界层内颗粒的流向平均速度和脉动速度愈大;颗粒的展向和切向脉动速度均小于流体的对应脉动,且颗粒惯性愈大,其脉动速度愈小;颗粒速度脉动和流体速度脉动一样是强烈各向异性的,且St数愈大,各向异性愈强;各种颗粒在壁面附近的浓度都明显高于其在槽道中心的浓度,其中又尤以中等St的颗粒的浓度分布最不均匀。本文最后还比较了槽道流动雷诺数对颗粒运动的影响,考虑Re(=180和Re(=395两种工况,结果表明随Re(提高,颗粒各方向上的速度脉动都有所增强,而局部聚集现象则受颗粒St数的影响,呈现出和前述不同类型颗粒类似的变化规律。


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