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非等温气固两相各向同性湍流的直接数值模拟

贺铸  
【摘要】: 对于悬浮固体颗粒与输运流体的速度和温度场之间相互作用内在机理的探讨和模型预报是湍流两相反应流体力学的核心问题。国内外关于湍流气粒两相流动的研究一直是非常活跃的,然而对非等温两相流的研究十分有限。 本文采用直接数值模拟研究了气固两相各向同性湍流中固体颗粒与流体的速度和温度场间的相互作用。研究工作从颗粒与速度场间的相互作用入手,在详细讨论各向同性湍流中湍流对颗粒的输运以及颗粒引起的湍流变动的基础上,研究了流体对固体颗粒传热以及颗粒对温度场的影响。湍流速度场和温度场的计算采用拟谱方法得到,衰减湍流的雷诺数范围从45到24,而强制湍流中雷诺数为95。数值模拟假定颗粒的运动只受到惯性(弛豫时间)和体积力的影响,颗粒的直径为30~300μm,对应的无量纲弛豫时间从0.1~100。 与流体颗粒相比,有惯性的颗粒都倾向于向流场内低涡度、高应变率的区域聚集,τp/τκ~1.0的颗粒表现得最为明显,这种现象被称为局部富集。局部富集现象极大地影响了颗粒在湍流中的弥散,局部富集明显时颗粒涡扩散系数最大且比流体的高约25%。外加体积力引起的漂移速度削弱了颗粒的弥散,而且由于连续性效应的影响,颗粒弥散在垂直于漂移速度方向的减弱趋势要强于沿漂移速度的方向,这与Wang Stock的理论预测很吻合。 在衰减湍流中,惯性很小的颗粒(τp/τκ0=0.1)使得湍流衰减变慢,大颗粒(τp/τκ0=5.0)则相反;中等大小的颗粒(τp/τκ0=1.0)被涡团甩出涡量大的核心区,其对速度场的变动作用很不明显。在强制湍流中,当质量载荷等于1.0时,所有的颗粒都使得湍动能和耗散率比零质量载荷时低50%,携带有大颗粒(τp/τκ0=5.0)的流场中耗散率甚至只有零载荷时的20%。谱分析显示,颗粒对湍流的影响在不同尺度上是不同的,大尺度涡结构的含能量由于颗粒的存在而减弱,小尺度结构的含能量则增强了。 由于局部富集现象以及被动标量(温度)场cliff结构的影响,τp/τκ~1的颗粒所见流体温度脉动强度最小,这一现象当Pr=0.3时最为明显,此时颗粒所见流体温度脉动要比全场平均值低10%。随颗粒惯性的增加,颗粒所见流体温度的自相关比颗粒自身温度的自关联下降得快。增加Pr数,使得颗粒所见流体温度的自相关系数衰减变快。在沿平均标量梯度的方向,颗粒的速度分量与温度脉动之间有很强的关联性。 颗粒对气相温度场的影响不同于颗粒引起的速度变动。增大颗粒的质量载荷会使得气相温度场的脉动强度、温度耗散率几乎呈线性下降趋势,而且减弱的程度随颗粒比热容的增大而增强。质量载荷为1.0时气相温度耗散率甚至只有零载荷时的30%。同时颗粒所见流体温度的积分时间增加了80%以上。动量耦合项(颗粒对速度场的影响)削弱了颗粒与气相间直接温度交换所导致的温度脉动衰减的程度,但使得气相温度耗散率增强。


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