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基于格子Boltzmann方法的撞击流的数值研究

刘红娟  
【摘要】: 气流床煤气化是我国煤高效洁净利用的关键技术,而撞击流是气流床气化炉内的主要流动形式。同时,撞击流属于滞止湍流,不同于常见的剪切湍流,因此,对撞击流的研究,不仅有很强的理论意义,而且还具有深远的应用背景。 目前,对于撞击流的研究还十分初级,许多基本问题(比如层流撞击流向湍流撞击流转捩的临界Reynolds数,撞击区的大小等等)都还没有明确的定量描述。撞击流的实验研究十分困难。因为这类滞止湍流对于实验环境的要求十分苛刻。近几十年来,科学计算有了飞跃发展,已经成为科学研究中与实验和理论研究方法同等重要的第三种方法。因此,撞击流的数值研究是当前撞击流研究的很重要的方法。 近年来,格子Boltzmann方法已经发展成为模拟流体流动以及为复杂物理现象建模的一个新工具。与以宏观连续方程为基础的传统计算流体力学方法不同,格子Boltzmann方法是基于流体微观模型和介观动力论方程的方法。与传统的计算流体力学方法相比,格子Boltzmann方法具有许多独特的优势,如编码简单、边界条件容易实现、具有完全并行性等。格子Boltzmann方法的这些特点吸引了许多领域的学者和工程技术人员,目前格子Boltzmann方法已经在多相流、多孔介质流、悬浮粒子流、反应流、磁流体力学和生物力学等领域取得了很大的成功,已经成为流体力学模拟的一类重要方法。 本文将格子Boltzmann方法应用于撞击流的数值研究是一次全新的尝试,推进了格子Boltzmann方法在工程实践中的应用,同时更重要的是,为研究撞击流乃至滞止湍流提供了新的思路和方法。 首先,本文采用不可压格子Boltzmann模型对层流撞击流的流动特性进行了数值研究。通过与现有文献结果的对比,验证了该模型的有效性。同时,模拟结果表明,撞击流临界Reynolds数不仅与流动的Reynolds数有关,还与H/W(喷嘴间距H与喷嘴直径W的比值)有关;文中首次对撞击区的大小给出了的明确定义,并考察了Reynolds数以及H/W对撞击区的大小的影响; 其次,格子Boltzmann方法可以作为求解Navier-Stokes方程的一种直接数值模拟方法,其本身不含有任何湍流模型。因而,本文采用格子Boltzmann方法对二维低湍动湍流撞击流进行了直接数值模拟,通过对平均速度场分布情况以及关键湍流统计量(Reynolds应力、能谱等)的分析研究,揭示了撞击流作为滞止湍流的湍流特性; 第三,本文采用热格子Boltzmann模型对二维层流撞击流的温度场进行了详细的数值模拟,对撞击流的传热特性展开了初步研究;另一方面,将大涡模拟的亚格子模型结合到原有的热格子Boltzmann模型中,构造了一种新的可以模拟湍流热流体流动的格子Boltzmann—LES模型,为下一步研究湍流撞击流的传热特性作好了模型准备; 第四,为了考察撞击流的混合特性,本文采用热格子Boltzmann模型对低湍动湍流撞击流的标量浓度场进行了直接数值模拟,重点考察了标量通量、标量耗散率等重要的湍流混合统计量,定量描述了湍流撞击流的混合特性;同时,本文对单个颗粒在撞击流的运动情况进行了数值模拟,得到了不同H/W以及Reynolds数条件下颗粒的运动轨迹、最大渗入深度以及停留时间等,对颗粒在湍流撞击流中的运动规律也进行了初步探讨。 总之,本文基于格子Boltzmann方法对撞击流的流动、传热以及混合特性进行了详细的数值研究,为全面认识和推进撞击流工业应用提供了可靠的数据资料,为今后研究的进一步开展奠定了坚实的基础。


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