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颗粒悬浮湍槽流的双重直接数值模拟研究

王宇  
【摘要】:颗粒悬浮流广泛存在于工农业生产中,由于颗粒和流体之间非线性水动相互作用的复杂性,至今对于其基本的流动特性还缺乏足够的认识。本论文使用直接力/虚拟区域法对颗粒和槽湍流相互作用问题进行了数值研究,着重考察不同浓度、不同尺寸的颗粒在不同沉降效应、不同雷诺数下对湍流统计量和流场涡结构、快慢速条纹的影响,以及颗粒的运动特征和统计量分布。 中性悬浮的颗粒在低浓度下增加了流向平均速度,起到了减阻的作用,而在高浓度下则增加了流体的阻力。在浓度较高时,颗粒的存在削弱了大尺度准流向涡结构,导致近壁处流向脉动速度强度的削弱,另一方面又诱导出较小尺度的涡结构,导致近壁处横向和展向脉动速度的增强。此外,颗粒的存在对近壁区脉动速度概率密度分布影响显著:一是降低了流向和横向脉动速度概率分布的倾斜度;二是减小了流向出现大速度脉动的概率,而增加了法向和展向出现大速度脉动的概率。但对于以方差归一化的脉动速度概率分布,颗粒的影响很小。当雷诺数增加时,浓度较高时颗粒对槽湍流的影响定性上与低雷诺数下基本一致,定量上颗粒减弱了颗粒对槽湍流的影响。 考虑沉降效应后,颗粒沉降到壁面,在低Shields数形成沉积层,起到了粗糙壁面的作用,较强地削弱了流向近壁处脉动速度强度,增强了展向与法向的脉动速度强度。与中性悬浮情况相比,沉降的颗粒明显削弱了沉积层附近的流体流向倾斜度,显著地影响了流体相的归一化脉动速度概率密度分布;而在远离沉积层上表面的区域,沉降的颗粒对归一化的脉动速度分布影响较小。


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