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方形颗粒两相流的直接数值模拟

吕红  
【摘要】:颗粒两相流运动广泛存在于自然界和工业应用中,对颗粒两相流运动特性的深入和全面的了解具有重要的学术意义和工业应用价值。然而,尽管长期以来对该领域已进行了大量研究,仍有许多基础问题亟待解决。目前,国内外的学者采用各种直接数值模拟方法,如虚拟区域法(DLM)、格子波尔兹曼法(LBM)、有限元任意拉格朗日——欧拉法(ALE)等和实验方法对圆形(球形)颗粒在流体中的运动特性进行了大量研究。但是,对超常颗粒在流体中的运动特性的研究则相对较少。事实上,实际工业应用中的颗粒很少是圆形。目前,超常颗粒多相流因其普遍性和非各向同性带来的复杂性已逐渐引起人们的兴趣。为了深入了解方形颗粒在流体中的运动特性,本文采用有限元ALE方法对方形颗粒在流体中的运动过程进行直接数值模拟,对各种参数条件对方形颗粒的运动特性的影响进行分析和比较。 首先,对方形颗粒在牛顿流体中的沉降特性进行数值研究。模拟结果表明:①方形颗粒在牛顿流体中沉降时,颗粒雷诺数存在一个临界值。当颗粒雷诺数小于临界值时,方形颗粒的稳定取向角为长边平行于重力方向;当颗粒雷诺数大于临界值时,方形颗粒的稳定取向角为长边垂直于重力方向。并且在颗粒雷诺数大于该临界值时,随着颗粒雷诺数的增大,方形颗粒会经历无过冲、阻尼振荡和永久振荡几个不同的沉降过程。②颗粒雷诺数的临界值随着阻塞比和长宽比的增大而减小。③初始取向角增大会导致方形颗粒的取向角、沉降速度、角速度以及横向漂移速度的振幅都将增大。④长宽比对方形颗粒的沉降过程的影响与长宽尺寸有关,但方形颗粒的最终沉降速度将随着长宽比的增大而减小。⑤壁面约束会使曳力系数增大,且该效应随着颗粒雷诺数的增大而减小。此外,曳力系数随着长宽比的增大而增大。⑥多个方形颗粒在沉降过程中由于颗粒之间的相互作用存在,会出现“倒T形”结构,并且随着时间的推移,逐渐趋向于水平取向。 其次,对方形颗粒在黏弹性流体中的沉降特性进行数值研究。模拟结果表明:①方形颗粒在黏弹性流体中沉降时,弹性数存在一个临界值。当弹性数小于临界值时,方形颗粒的稳定取向角为长边垂直于重力方向;当弹性数大于临界值时,方形颗粒的稳定取向角为长边平行于重力方向。②弹性数的临界值随着长宽比的增大而减小,随着阻塞比的增大而增大。③弹性数一定时,方形颗粒在沉降过程中的横向漂移随着初始取向角的增大反而有所减小。④方形颗粒的最终沉降速度随着长宽比的增大而减小,随着阻塞比的增大而增大。⑤初始时刻以垂直取向角上下排列的两个方形颗粒在黏弹性流体中沉降时,两个颗粒接触后将一直保持接触以垂直取向角一起沉降。 最后,对方形颗粒在简单剪切流中运动时的横向漂移进行数值研究。模拟结果表明:①初始位置和流体性质对方形颗粒的平衡位置没有影响。当方形颗粒在Couette流中运动时,其最终平衡位置为通道中心线处;当方形颗粒在Poiseuille流中运动时,其最终平衡位置为Y/W=0.29处。②当方形颗粒在Couette流中运动时,惯性驱使方形颗粒向通道中心线处运动;③弹性对方形颗粒的横向漂移的影响与流体流动形式有关。方形颗粒在Couette流中运动时,弹性数可能存在某个临界值。方形颗粒在Poiseuille流中运动时,方形颗粒与近壁面之间的距离随着弹性数的增大而增大。④密度比对方形颗粒的横向漂移有很大的影响。此外,方形颗粒在Couette流和Poiseuille流中的平衡位置随密度比的变化趋势有很大不同。


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