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槽道湍流中颗粒弥散及电除尘应用的数值研究

郭双喜  
【摘要】: 流体-颗粒两相湍流与国民经济中的能源、化工、水利、环境等工业密切相关,已逐渐成为两相流研究中的热点问题。作为两相流的一个分支,流体-颗粒两相流的基础研究在过去30年来取得了很多可喜的成果,但对于壁剪切湍流-颗粒两相流的研究仍不充分,而对于其在工业应用中的理论研究则更为有限。 本文采用直接数值模拟方法研究了槽道两相湍流中颗粒的弥散特性,并以此为基础研究了电除尘器中颗粒物在空气流中的聚集规律。研究工作从单相槽道湍流模拟开始,分析了二维槽道湍流的湍流特性;进一步采用单向耦合模型,研究了Stokes数为0.01、1.3和11.4的三种颗粒在Re数为5500的槽道湍流中的弥散特性;最后结合工程实际,以静电除尘器为模型,研究了颗粒物在气流和电场耦合作用下的集尘规律。 对二维单相槽道湍流进行了直接数值模拟,采用拟谱方法直接求解流体相控制方程,并改进了流向和展向速度谱分量的求解方法。分析了二维槽道湍流的统计结果和瞬时特征,计算结果与前人结果吻合较好。对近壁涡量和壁面剪应力的两点互相关结果表明在距离壁面为0.03和0.2处(基于槽道半宽)近壁涡对于壁面阻力的影响最为强烈,为壁面减阻研究提供了理论解释。通过流场中旋涡的演化和能量的传输研究结果表明,二维槽道湍流中存在明显的旋涡自组织特性,并伴随着能量从小尺度结构向大尺度结构传递的逆级串过程。 颗粒-流体两相槽道湍流模拟的统计结果表明颗粒具有动量统计稳定性,但不具有浓度统计稳定性。颗粒达到动量稳定所需要的时间随着Stokes数的增大而增大,而浓度由槽道中心到壁面逐渐增大,说明颗粒具有壁面聚集效应。近壁区颗粒平均速度明显大于流体速度,且随着Stokes数而增大,说明颗粒惯性对颗粒平均运动的影响主要集中在近壁区域。颗粒的瞬时分布体现出了颗粒在全场中的富集特征,并且随着颗粒Stokes数的增大,富集现象愈明显。而对于离开壁面不同高度位置,颗粒富集程度随颗粒Stokes数的的变化规律并不相同。Stokes数为0.01的颗粒越靠近壁面位置,其局部富集程度越强,而Stokes数为1.3和11.4的颗粒,其局部富集程度在距离壁面高度为0.4和0.8之间最强。 在颗粒-流体两相槽道湍流模型中施加适当外加电场,以模拟静电除尘器中颗粒物在气流和电场耦合作用下的弥散特性。颗粒的瞬时分布和轨迹曲线表明在相同颗粒Stokes数下,颗粒壁面聚集程度随着外加电压的增大而增大;在相同外加电压下,颗粒壁面聚集程度随着Stokes数的增大而增大。颗粒横向扩散函数的计算结果进一步表明:在初始阶段,外加电压越大,颗粒横向扩散函数越大,颗粒横向运动越明显;同时横向扩散函数值随时间而逐渐减小,且外加电压越大,减小越快。颗粒数浓度的变化结果表明:在同一时刻,对于相同Stokes数的颗粒,外加电压越大,颗粒数浓度也越大,相应地集尘效率也越高;对于相同外加电压而言,颗粒Stokes数越大,颗粒数浓度也越大,相应地集尘效率同样也越高。 上述研究有助于理解壁剪切湍流中的颗粒弥散规律,并为工程中静电除尘应用提供指导,同时也为进一步研究多场耦合下的流体-颗粒两相流奠定基础。


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