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库特两相流中固粒运动与碰撞的数值模拟

黄利忠  
【摘要】:本文采用格子Boltzmann法对悬浮在库特流内圆型颗粒间的运动和碰撞进行了数值模拟研究。首先,本文将基于直接力模型的虚拟区域方法引入到格子Boltzmann方法中,建立了用于模拟颗粒两相流的基于多松弛的格子Boltzmann直接力/虚拟区域方法。该方法的优势是对于颗粒采用拉格朗日网格,对于流体则采用了欧拉网格,从而避免了当颗粒的空间位置发生变化后需要重新生成网格的步骤,并且在求解颗粒的运动时不需要显式地计算出作用在颗粒上的力以及力矩。其次,采用基于多松弛的格子Boltzmann直接力/虚拟区域方法对均匀来流流经固定的单个椭圆颗粒进行了数值模拟,进而通过把得到的模拟结果和利用商用软件FLUENT计算得到的结果进行对比来验证该方法的有效性。紧接着让该椭圆颗粒在流动方向上做简谐运动来研究涡脱离的模式,并改变简谐运动的振幅和频率来研究其对涡脱离模式的影响,并通过商用软件FLUENT动网格功能来进一步验证代码的有效性。再次,运用同样的方法对库特流中规则分布颗粒的运动及碰撞进行了研究。当颗粒数为128时,若剪切速度相对较小为0.1m/s时,颗粒间的碰撞数也相对较小,而当剪切速度增大到0.2m/s,0.3m/s时,颗粒间的碰撞数相应也增大,且发现剪切速度足够大时,颗粒间的碰撞数不会发生太大的变化。接下来的数值模拟中所有物理量都进行无量纲化并设定剪切速度为0.08,通过改变雷诺数和颗粒的密度来研究颗粒间的碰撞数。研究发现当颗粒数较少为128时,其规律性并不是很明显,但总体上,雷诺数和颗粒间的碰撞数是反相关的,而颗粒的密度变化导致的颗粒间的碰撞数变化规律更不明显。当颗粒数增加到256时,其规律性就明显了许多,随着雷诺数的增大,颗粒间的碰撞数明显下降,且随着其中一半颗粒的密度的增加,颗粒间的碰撞数也基本呈下降趋势。最后,对剪切流场中不规则分布颗粒的运动及碰撞进行了研究。同样的,当颗粒数为128时,通过改变雷诺数和其中一半颗粒的密度导致的颗粒间的碰撞数的变化规律也不是很明显,但总体上雷诺数和颗粒间的碰撞数还是反相关的。而当颗粒数为256时,当雷诺数增大时,颗粒间的碰撞数明显减小,而当其中一半颗粒的密度增大时,颗粒间的碰撞数也总体上减小。并且无论是颗粒数为128或是256,与颗粒规则分布的情形相比,颗粒不规则分布时颗粒发生碰撞的时间都明显提早了很多。


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