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管束间气固两相流动的直接数值模拟研究

嵇峰  
【摘要】: 湍流问题一直以来是个本学科的难题,而气固两相的湍流问题则更是如此。尽管很多研究者探索取得了一定的成果,但这一问题仍未得到彻底的解决。传统的研究气固两相湍流数值模拟是基于平均的思想,其无法描述流动的精确结构等缺点让直接数值模拟的方法在这个方面随着高性能计算机的出现而飞速发展。在自然界和实际工程应用中,气固两相的管束绕流都比较典型。对它的研究既有助于对气固两相流动的机理的理解,又可以为相关工程应用提供指导。在这样的背景下,本学位论文集中开展对气固两相管束绕流进行直接数值模拟的研究。 为了研究气固两相绕管束的流动,本文采用了高精度紧致差分结合虚拟体的数值方法对多个圆管尾流进行了三维的直接数值模拟。具体研究了典型的双管排列的气固两相流动,错列三管和并列四管的气固两相流动,最后采用并行计算方法研究了5×5顺列的管束流动。在对管束模拟研究之前首先对单管的绕流进行了算法的正确性和精确性进行了验证,文中的数值实验精确的捕捉到了三维转捩下尾迹中的A、B模式。在对流场进行高精度模拟的基础上,计算颗粒场时采用Lagrange方法追踪颗粒的运动,精确的计算每个颗粒的运动情况。并且通过定量和定性的比较了Re=250条件下不同颗粒粒径和不同间距下颗粒的扩散情况。 在一前一后排列的双管下计算了三种不同间距(T/d=1.2、2.0、3.0)且Re=250的条件下对流场和颗粒场的影响,结果表明此种方式的排列并未在展向上形成涡肋,后一根管对前管起到了抑制展向涡旋产生的作用,而且三种间距条件下后一根管的尾迹均表现为单个涡街的特征,只是其后的回流区会随着两管间距的增大而减小;而在不同的St数下(0.1、1、10)颗粒展现了不同的扩散分布,如在St数比较小的时候(St=0.1)颗粒可以充满涡核,而大颗粒则不行;同时研究了双管间无涡旋到有涡旋对颗粒扩散的影响。 在并列排列的双管下也同样计算了三种典型间距(T/d=1.2、2.0、3.0)且Re=250,从计算的流场结果分析可以得到单尾迹、一宽一窄尾迹和对称尾迹的气相场流动特点,并与实验结果非常一致;颗粒扩散特性也受这三种典型尾迹模式的相应影响:在小间距下(T/d=1.2)颗粒尾迹也形成了近似的单涡街结构;中等间距下(T/d=2.0),此时流场形成了一个宽尾迹和一个窄尾迹,同样颗粒的扩散模式也由于两个涡街掺混而变得较为混乱;大间距下(T/d=3.0),流场形成了两个对称的涡街,颗粒的扩散也明显的表现出对称的分布;而在不同的St数下(0.1、1、10),整体上也和一前一后排列一样,在St数比较小的时候(St=0.1)颗粒可以充满涡核,而大颗粒则不行。 计算了错列三管和并列四管条件下的气固两相流动,在详尽的考察了双管的基础上选取了工程结构中常见的T/d=2.0管间距。错列三管流场模拟结果发现了随着时间的推移流场会从对称发展到非对称的模式。而四管的流场模拟结果基本呈对称分布。颗粒场的计算结果表明:错列三管条件下第二排的单管受碰撞强烈,颗粒扩散表现为非对称的分布,而且会有周期上下摆动的特点呈现;而并列四管条件下颗粒则呈对称的结构分布在尾迹中。 最后对于5×5的顺列管束,本文采用了分块并行的思想,交界面的数据传递采用D-D方式实现以减少误差。在计算机集群上实现了管束绕流的并行算法,并介绍了MPI并行实践中的具体经验。对管束的流动进行了研究,其中包括分析瞬时的流场变化,对管束流动中的拟序结构做了讨论。由于多个拟序的涡结构在下游不断的相互作用使得尾迹中的涡结构越来越混乱。从计算的数值结果来看:管束中央流动较为规则,原因是由于上游的管束产生的涡脱对后排起到了抑制的作用。可以得到,中间的流动基本上为狭缝射流和多个尾迹共同作用,而管束两边由于无其他影响使得尾迹在管束上下两边界上占主导作用。整个流动中有多个尾迹和多个狭缝射流相互作用。


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