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气固两相绕方柱流转捩的直接数值模拟研究

刘兰  
【摘要】: 钝体绕流一直是流体力学界倍受关注的经典问题,人们投入了大量的精力研究这一问题。气固两相绕流钝体的现象在工业界和自然界中非常广泛,越来越多的研究者把研究重点转向了这一方向。气固两相流绕流钝体现象中由于气流绕流钝体的不规则性,颗粒在流场中分布的不均匀性以及颗粒与气流场的相互作用,使得研究其特性变得更为复杂。本文是针对气固两相绕长方柱和短方柱的流动现象进行的研究,在数值计算方法上采用了精度高、计算效率高并且易于并行化的高阶紧致差分格式结合虚拟体的数值方法对单个方柱体的尾迹流进行了三维的直接数值模拟。研究的重点是在转换工况Re=225的情况下,纯气流绕流长方柱和短方柱后尾迹流场中的瞬时物理量和时均物理量特性;主要对颗粒场则采用Lagrange方法跟踪了Stokes数为0.01、1、5的三种颗粒,分析了颗粒的进入对绕流尾迹中流场瞬时物理量和时均物理量特性的影响。 本文的主要研究结果主要包括: 在Re=225前后,流场绕流长方柱后发生转捩,转捩后尾迹的涡结构是由上下分列相对独立、旋转方向相反的鱼刺涡形成的涡街,这种涡街形式和圆柱绕流有很大的区别;通过进一步分析长方柱的湍动能,谱能和平均速度分布特性,发现了尾迹流场中主要能量对应的低振荡频率即为涡脱基频:通过对流场基本的物理,参数(速度、涡量、阻力系数,升力系数、平均统计量)的分析,确定了涡脱的初始位置,回流区长度和回流区的高度,发现回流区结束的地方流向平均速度最大,垂直向平均速度最小,流场的湍流脉动最强。 在颗粒加入长方柱尾迹流场后,由于同时存在着多个不同时间尺度和空间尺度的涡结构,不同St数颗粒的响应时间随着空间和时间不同,发现了不同St数颗粒对流场瞬时变量和时均变量的影响也是不同的:Stokes数为0.01的小颗粒在流场中跟随流场中涡的结构运动,在涡的核心和边缘分布较为均匀,对流场的瞬时变量和时均变量的影响不明显;Stokes数为1的颗粒,加强了尾迹流场的阻力系数的振幅和频率,加长了涡脱落的周期,在近流场增加了的流向平均速度、垂直向平均速度、展向平均速度和平均湍动能,但对混合平均雷诺应力影响不大,在远流场流向平均雷诺应力没有太大的影响,但垂直方向上的扰动增强了,而混合平均雷诺应力则减小了;Stokes数为5的中等颗粒,减弱了流场空气的阻力系数振幅和频率,加大了平均流向速度跨度,增大了垂直方向平均速度和展向平均速度,使得平均雷诺应力的变化趋于平缓,中心线上的平均湍动能被减小,而远离中心线的区域上的流场平均湍动能增加。 通过数值研究发现,绕流短方柱后的涡结构是与球、与圆柱后的涡结构截然不同的,其近场主要是端面上形成的上下分列相对独立的发卡涡,远场主要是由发卡涡和鱼刺涡相互作用后产生的带状涡结构组成。这种涡街形式和长方柱绕流有很大的区别;通过进一步分析短方柱的湍动能,谱能和平均速度分布特性,发现了尾迹流场中主要能谱对应的低振荡频率比长方柱的相应频率小了很多;通过对流场基本的物理参数(速度、涡量、阻力系数,升力系数、平均统计量)的分析,我们首次确定两种涡相互合并的初始位置,相互作用的区域,并发现在这个合并的区域内垂直向平均速度最小,流场的湍流脉动最强。 短方柱尾迹流场颗粒加入后,流场中由于同时存在着两个完全不同性质的涡结构,不同St数颗粒对流场瞬时变量和时均变量的影响和长方柱的不同:Stokes数为0.01的小颗粒在流场中跟随流场中两种涡的结构运动,流场的瞬时变量和时均变量的影响刚开始就有但不明显:Stokes数为1的颗粒,减小了尾迹流场的阻力系数的振幅和频率,升力系数没有了基频,流向平均速度、垂直向平均速度和平均雷诺应力减小了,而展向平均速度增加了;Stokes数为5的中等颗粒,减小了流场空气的阻力系数振幅和频率,减小了垂直方向平均速度和展向平均速度,平均雷诺应力,增加了流向平均速度。


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