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气固两相流中微细颗粒沉积与扩散特性的数值研究

刘洪涛  
【摘要】: 气固两相湍流流动是一种比较普遍的现象。由于经济和环境的需要,对气固两相流动现象的物理本质深入和全面的认识越来越重要,气固两相流的研究成为了流体力学研究的一个活跃的领域。含有颗粒物的气流在有限或者无限流动空间内流动,颗粒受到各种因素的影响,在空间内会发生扩散或者沉积于壁面,这种现象在工业生产和环境保护中有着重要的应用。对微细颗粒在壁面上沉积和在空间内扩散进行研究,了解各种因素对微细颗粒在壁面上沉积的影响,揭示微细颗粒在空间内的扩散机理,探索改善微细颗粒物在壁面上沉积的方法,具有重要的学术意义和工业应用价值。 对微细颗粒的壁面沉积和绕方柱扩散问题,采用数值分析的方法,研究微细颗粒在直方管、弯管壁面的沉积特性和微细颗粒绕方柱扩散及沉积特性。对于管内流动,流体相采用各向异性的湍流雷诺应力模型和近壁面两层壁面模型来预测管内流场与近壁区域的湍流变化;对于绕方柱流动,则采用大涡模拟的方法来预测流场的变化。颗粒相采用颗粒随机轨道模型来跟踪微细颗粒的运动轨迹。通过系统的模拟,探讨了各种因素对微细颗粒沉积与扩散的影响,得到了以下结论。 首先,针对直方管内气固两相流动,首次采用基于各向异性的湍流雷诺应力模型,深入研究了气相对微细颗粒沉积的影响。模拟结果表明:①基于各向异性的湍流雷诺应力模型能够准确地模拟横截面的二次流,得到的结果与DNS的模拟结果比较接近。②重力作用是微细颗粒在直方管各壁面沉积速率产生差异的主要原因。颗粒粒径1~30微米,在直方管下壁面的沉积速率最大,侧壁次之。颗粒在下壁和侧壁的沉积速率随着粒径增加而增大,而颗粒在上壁面沉积速率则先增大后降低。③空气流速对颗粒沉积速率有较大影响,颗粒沉积速率均随着管内流速增加而增加。④湍流波动对颗粒在壁面上的沉积速率具有显著影响。在相同流速下,颗粒在流动发展段的沉积速率大于其在流动充分发展段的沉积速率。⑤对于垂直流动,相同流动速度下,颗粒在壁面的沉积速率随着颗粒的直径增大而增大,并且在垂直向下流动时,颗粒在壁面上的沉积速率更大。 然后,针对微细颗粒在方形弯管道的壁面沉积,首次采用湍流雷诺应力模型,进一步研究了气流流速和弯管曲率影响。模拟结果表明:①湍流雷诺应力模型能够准确预测方形弯管内形的二次流变化趋势。二次流随着弯曲角度和流速的增加而增加,并且二次流旋涡中心逐渐向弯管内壁方向偏移。②微细颗粒穿透速率随着Stokes数和弯管曲率半径的增大而减小。③随着Stokes数增加,颗粒在弯管外壁面及上下底面的无量纲沉积速率增加;颗粒在内侧壁面的无量纲沉积速率则是先增加后减小。④离心力对微细颗粒轨迹有显著影响,是导致外壁面颗粒沉积速率最大的主要原因。 最后,针对气固两相方柱绕流,重点研究了微细颗粒沉积及扩散特性。模拟结果表明:①阻塞率对方柱绕流的涡脱频率和阻力系数均有影响。②展向涡结构和流向涡结构对微细颗粒沿纵向和展向扩散具有影响。Stokes数为1的颗粒在流场中的分布最不均匀,形成准拟序的颗粒扩散结构,颗粒聚集在大涡结构的外围;。当颗粒的Stokes数为0.01时,颗粒的扩散分布结构与流场的拟序结构相似,颗粒浓度分布较为均匀,沿横向也有相当程度的扩散。③颗粒在方柱前壁面上的沉积率随着颗粒的Stokes的增加而增加,而在方柱后壁面上的沉积率则减少,流道的阻塞率对颗粒在壁面上的沉积率的影响不大。


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