均匀湍流内湍流—布朗颗粒碰撞的直接模拟研究

【摘要】： 燃烧源可吸入颗粒物对于人体健康和自然环境有严重的危害,了解其在燃烧过程中生成和长大过程的机理是控制颗粒物生成的前提,其核心问题之一是颗粒-颗粒的碰撞和凝并过程。对于燃煤产生的细微颗粒,其碰撞过程主要受布朗运动和湍流作用影响,研究湍流作用下有布朗运动的细微颗粒的碰撞过程是目前两相流体力学和气溶胶动力学的研究热点之一。 本文在系统总结有关颗粒平均碰撞核函数的研究进展和相关数学模型的基础上,基于高效的后溯法来检测碰撞,首先对Reλ约为51均匀各向同性湍流内St_k (St_k=τ_p/τ_k)为0到10的有限惯性颗粒(不考虑布朗力)的碰撞行为进行了直接数值模拟,研究了湍流对有限惯性颗粒碰撞的影响。结果表明,具有一定惯性颗粒的湍流碰撞率完全不同于零惯性的轻颗粒(St_k=0)和可忽略湍流作用的重颗粒(Stk=∞),其变化趋势极其复杂。使用同时考虑了湍流掺混效应和局部富集效应的圆球模式来估计湍流作用下的颗粒碰撞核函数,分别利用可能发生碰撞的颗粒对的径向相对速度|w_r|和径向分布函数g(R)来量化这两种效应。结果表明St_k≈1.0时局部富集效应最为强烈,使得颗粒的碰撞核函数在此时出现第一个峰值;湍流掺混效应则随着颗粒St_k的增大而渐进增大;局部富集和湍流掺混联合作用的结果,使得颗粒碰撞核函数在St_k≈3.0附近出现另一个峰值。通过对Stk在0到1之间的细微颗粒进行渐近性分析,结合数值模拟的结果,提出了适用于细微颗粒的简单的湍流碰撞核函数模型。 在直接模拟湍流作用下的颗粒碰撞的基础上,本文结合布朗动力学模拟(BD)方法,初步模拟了均匀湍流中有布朗运动的细微颗粒的碰撞现象,模拟的颗粒直径范围在0.1-1.2微米之间,表明在0.6-1.2微米范围内,湍流对碰撞起主要作用,布朗运动作用并不明显;在0.1-0.4微米范围内,除了湍流作用外,布朗运动作用随着直径减小而增大,并在0.1微米时二者作用相当。