高浓度气固两相流的数值模拟研究

【摘要】： 多相流动(Multiphase Flows，包括：两相流Two-Phase Flows，下同)广泛存在于自然界和工业、农业、国防、环保等各个领域。近二十年来，多相流技术已渗入到我国国民经济建设的各行各业，并在一些领域成为关键性技术和尖端技术。因此，多相流研究对指导工程实际具有广泛、深远的重大意义，已得到了各国政府和学者的普遍重视。正是在这样的历史和现实背景下，近几十年来(特别是近二十年来)，多相流研究有了迅猛的发展，建立了相对完善的理论体系，在理论研究和指导工程实际方面取得了丰硕的成果。 众所周知，两相流研究是多相流研究的基础和前沿，而两相流研究又主要以气固两相流研究为代表，尤其是高浓度(密相Dense-Phase)气固两相流研究是当前两相流研究的主要课题。目前，有关高浓度气固两相流的研究和报导还比较少，突出的问题主要表现在如何考虑颗粒与颗粒之间、颗粒与流体之间的相互作用方面。 本文在系统、全面地回顾和总结近五十年来多相流研究发展历史的基础上，进一步论述了多相流研究和应用的广阔前景；澄清了多相流研究中存在的一些模糊概念；以气固两相流研究为例，对多相流研究的各种理论模型进行了系统的分析、归纳和分类，从而把气固两相流研究的物理模型按其刻划的尺度和属性分为三类，即：连续介质模型(Continuum Model)、离散颗粒模型(Discrete Particle Model)、流体拟颗粒模型(Pseudo Particle Model)，并对三类物理模型赖于存在的基础、长处和存在的问题进行了深入的分析、讨论；同时指出，多相流研究的各种数学模型都是建立在以上三类物理模型的基础上的，从而对各种数学模型的实质、优缺点和今后发展方向有了清晰的了解。在此基础上，本文提出了基于连续介质和离散颗粒物理模型的E／E法(Eulerian／Eulerian Model)与E/L法(Eulerian/Lagrange Model)的组合法(Combined Model)的数学模型。新的组合法克服了E／E法不能模拟存在相变的流场的缺陷和E／L法因机时问题而无法模拟真实流场的问题，具有一定的创新性，对多相流理论研究和指导工程实际都具有重大意义。 文中认为，颗粒动力学理论是E／L法的关键，也是本组合法的关键内容之 浙江人学博0：学位论义 摘 蛰 一。深入研究和发展颗粒动力学理论，从而建立真实、准确的颗粒与颗粒间的 碰撞模型、颗粒与流体间的相互作用模型，在原则上就可以利用本组合法模拟 真实的气固两相流动问题。文中认为，流体“拟颗粒”模型适合于计算模拟流 场的微观结构，通过流体“拟颗粒”模型对多相流动微观结构的了解，从而建 立颗粒与颗粒间、颗粒与“拟颗粒”间的相互作用模型，并借助本组合法可能 实现多相流研究理论质的飞跃。 最后，本文利用所提出的新的组合模型，对高浓度气固两相立管流动进行 了数值模拟；对稀相和密相气固两相射流进行了数值模拟；两者均得到了满意 的数值解；将所得数值结果与相关实验数据进行了比较，两者十分吻合，证明 了本组合法在模拟高浓度气固两相流动时的准确性和可靠性，并具有一定的普 适性。