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管道内颗粒悬浮流中大颗粒和湍流相互作用的直接数值模拟研究

吴腾虎  
【摘要】:颗粒多相流在工业中有十分广泛的应用。虽然现在已有大量的工作致力于该课题的研究,但是我们对其一些基本特性还缺乏足够的认识,例如颗粒对转捩的影响,颗粒与湍流结构的相互作用等。本文采用直接力/虚拟区域方法(Direct Forcing/Fictitious Domain method,简称DF/FD)对中低雷诺数下管道和槽道内的颗粒多相流进行了直接数值模拟研究,研究了颗粒对转捩的影响和颗粒与湍流拟序结构的相互作用。 本文主要研究了三部分内容: (1)对低雷诺数下(Re2300)水平圆管道中颗粒悬浮液流进行了直接数值模拟,研究了颗粒浓度,颗粒尺寸对转捩的影响规律。数值模拟结果表明:在较低的颗粒浓度下颗粒促进管流的转捩,临界转捩雷诺数随着颗粒浓度的增加而降低;在较高的颗粒浓度下,临界雷诺数随着颗粒浓度得增加而增加。 (2)对雷诺数Re=4900的水平颗粒管湍流进行了直接数值模拟,研究了几种浓度下大尺寸中性颗粒对湍流结构的作用。结果表明:中性颗粒削弱了流向速度脉动在极大值处的强度,这是由于壁面附近大尺度流向涡和快慢速条纹的强度被削弱所导致的;而很靠近壁面和管道中心区域的流向速度脉动被增强。壁面附近的颗粒会诱导出大量小尺度的涡量,这些涡量增加了壁面附近径向和切向速度脉动的强度。 (3)对雷诺数Re=5000的水平颗粒槽道湍流进行了直接数值模拟,研究了壁面附近沉降颗粒与湍流结构的相互作用,讨论了不同尺寸,沉降系数和浓度下颗粒对湍流的影响规律。结果表明:(a)在沉降系数为零的算例中,颗粒削弱壁面附近大尺度流向涡和快慢速条纹的强度,这个过程削弱了流向速度脉动在极大值处的强度。而在很靠近壁面的区域和管道中心区域的流向速度脉动被增强。壁面附近的颗粒会诱导出大量小尺度的涡量,这些涡量增加了壁面附近径向和切向速度脉动的强度;(b)在沉降系数较大的算例中,颗粒沉积到壁面附近并形成颗粒沉积层,这层颗粒相当于粗糙壁面,会诱导出大量涡量,这个过程大大增加了下壁面处的速度脉动强度;(3)在中等沉降系数的算例中,颗粒对湍流的影响等于前面两种情况的综合。


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