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复杂多相流问题中相界面的混合尺度数学模型

李林敏  
【摘要】:流体力学中,多相流是指由不同物态的介质或同一物态下不同属性的介质组成的流动过程。在自然界、日常生活以及各种工业过程中,两相或多相流问题均广泛存在,包括气-液、液-液、气-固及液-固等多相流动体系。其中,气-液、气-固或气-液-固多相混合流动常存在大界面变形,离散粒子输运,连续相-离散相转变等过程,对于这类多尺度相界面以及涡结构共存的情况,最大的困难在于难以捕捉离散相界面以及小尺度的涡结构。本文旨在建立一种连续界面捕捉和离散粒子跟踪的联合求解算法来描述上述多尺度多相流问题。基于OpenFOAM源码,首先针对界面变形剧烈的气-液两相流问题,采用带界面压缩(Compressive Interface Capturing Scheme for Arbitrary Meshes,CICSAM)及动网格局部细化(Adaptive Mesh Refinement,AMR)的全尺度界面捕捉方法(Volume of Fluid,VOF)来捕捉气液相界面并对其进行优化求解。同时,采用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法来直接计算大尺度涡并对小尺度涡进行模型化,亚格子湍流模型则采用单方程涡粘性模型(One Equation Eddy Viscosity Model,OEEVM)。结合 SchnerrSauer 空化相变模型,将上述方法应用于水下空化问题的求解。分别计算了回转体及水翼的空化过程,在验证了计算结果的基础上,分析了云状空化的产生、溃灭机理,以及非稳态空泡振荡对水下设备升阻力的影响,掌握了不同空化形态与升阻力的对应关系。结果表明:该方法可以在不消耗大量计算资源的情况下,定向优化界面求解精度,得到清晰的相界面以及准确的压力、速度等分布。对于连续相和大量离散粒子共存的流动过程,分辨弥散分布的离散界面所需网格数量巨大,对于宏观过程,该方法难以实现。因此采用基于拉格朗日坐标系的离散单元模型(Discrete Element Model,DEM)来描述亚网格尺度的离散粒子并与连续相耦合计算。对软球碰撞模型进行改进并验证,确定了该模型框架下的最小网格-粒子尺度比。引入格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)导出的适用于多元分散体系的曳力模型并与传统的曳力模型进行对比,对鼓泡流化床过程的不同流态进行模拟。结果表明:LBM曳力模型相比最常用的Gidaspow模型,预测了更为准确的堆积床中输运气泡的尺寸;克服了 Gidaspow曳力模型的不连续性及其在周期性鼓泡流动过程计算中出现的问题;在不同流化形态的计算中均得到了准确的结果。在此基础上,引入粒子在相界面上的受力,以及粒子在液相中需考虑的相间作用力,本文建立了界面捕捉法及亚格子离散元法联合的混合尺度模型,来模拟连续相界面和离散粒子共存的复杂多相流动过程,选取典型案例对模型进行了测试并与实验结果进行对比验证。结果表明:本文建立的混合尺度多相流模型可以用于求解以网格尺度为界的大尺度相界面和离散粒子共存的复杂多相流问题。针对存在大量离散气泡的泡状流过程,同样难以采用界面捕捉方法来求解气泡边界并模拟其宏观过程。本文将亚格子尺度的离散元方法引入到针对离散气泡的描述,考虑气泡的合并以及气泡与连续气体的转化,建立了离散气泡模型(Discrete Bubble Model,DBM)并与连续界面捕捉方法耦合,计算了底吹钢包过程中离散气泡和气-液-渣三种连续体的混合流动过程。气泡运动采用离散气泡模型,渣-金及渣-空气界面采用界面捕捉方法,湍流采用大涡模拟方法。分析了气泡的周期性鼓动过程,以及渣眼的开合机理、渣滴形成机理等。结果表明:计算得到的气泡粒径分布与实验结果及群体平衡模型(Population Balance Model,PBM)预测结果吻合,渣眼面积时均值与实验结果吻合。该方法准确地描述了离散气泡的不规则湍流运动,以及渣金界面的大变形问题和渣滴的形成,适用于离散相与多重连续相界面共存的复杂多相流动过程。


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