多相流全尺度直接数值模拟方法及应用

【摘要】：过去三十年的气固多相流研究中,基于拉格朗日计算颗粒运动的点源方法尽管已经取得了许多研究成果,在一定程度上揭示了颗粒与流体之间相互作用的规律。但是由于模型自身的缺陷,颗粒与流体之间的一些相互作用仍然无法在模型中体现,从而无法正确的计算颗粒的运动、颗粒与流体之间的相互作用,许多颗粒尺度上的微观现象难以正确的呈现。因此,发展研究在颗粒尺度上的计算方法,即多相流的全尺度计算方法,十分重要。 本文在颗粒全尺度计算的内嵌边界方法基础上提出了内嵌边界多重直接力算法,并结合不同的计算方式提出了新的在笛卡尔均匀坐标系下的基于压力-速度方程的内嵌边界多重直接力算法和基于涡量-速度方程的内嵌边界多重直接力算法。通过对一系列静止内嵌边界的算例的计算以及比较分析,验证了本论文提出的内嵌边界多重直接力算法具有空间二阶精度的收敛性。同时在多重直接力的作用下,颗粒表面内嵌边界上的速度无滑移边界条件能够很好的得到满足。结合运动颗粒的特性,本论文把内嵌边界多重直接力算法应用于计算研究运动边界的问题。通过对二维空间以及三维空间中单个颗粒以及颗粒群运动的计算比较分析,验证了本论文提出的多重直接力算法的有效性。一些在颗粒尺度上的微观现象得以捕捉和再现。本论文在内嵌边界多重直接力算法计算颗粒与流体之间动量耦合的基础上提出了内嵌边界多重直接热源方法来计算颗粒与流体之间的能量耦合。论文中通过一系列算例的计算分析验证了内嵌边界多重直接热源方法的精度和有效性。由于在三维空间中计算多个颗粒运动十分耗时,因此为了提高计算速度,本论文提出了结合内嵌边界多重直接力算法的并行计算方法。该方法能够有效的提高计算速度。至此,本论文提出的内嵌边界多重直接力算法和多重直接热源算法能够全尺度的研究颗粒(群)与流体之间的相互作用过程。 内嵌边界多重直接力算法不仅仅可以运用与计算研究颗粒与流体之间的相互作用,还能用于研究一系列基础问题。本论文中采用内嵌边界多重直接力算法研究了展向脉动来流对颗粒阻力的影响。另外,本论文还首次全流场域内直接数值模拟求解计算研究了不同尺度的煤粉颗粒与槽道中顺列管束之间的磨损问题,具有十分重要的工程指导意义。