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大气表面层气-固颗粒两相流的大涡模拟

冯圣军  
【摘要】:本文基于大涡模拟和点力模型研究湍流边界层中颗粒与湍流的相互作用,首先,本文提出了一种近壁平均速度梯度改进涡粘计算的简单的修正方法,并基于此方法模拟了Re_??3?1 0~7的高雷诺数大气边界层壁湍流,其中亚格子模型采用尺度依赖动力涡粘模式。模拟结果表明:所提出的修正方法能够有效改善湍流平均速度廓线的预测结果,并合理捕捉湍流相干结构的主要特征。同时采用湍流大涡模拟与颗粒点力模型数值模拟了可侵蚀颗粒床面上高雷诺数水平槽道湍流颗粒两相流动,以分析颗粒对湍流的调制作用机理。结果表明:可侵蚀颗粒床面上的颗粒分布在流向高、低速流体中间。平均三维颗粒浓度结构近壁大远壁小,呈hill-like状。除非常靠近近壁(y~((10))(27)3)外颗粒平均速度均小于湍流平均速度;整个计算高度内,颗粒流中的流体流向平均速度相比单相流减小。近壁颗粒导致流向速度脉动、雷诺应力相比单相流衰减,远离壁面增强,衰减与增强的转折点在约y~((10))?40,随雷诺数增大而降低。垂向和展向速度脉动在整个计算高度内均增强。颗粒流中,由速度相关确定的湍流结构的流向与展向尺度在近壁内区增大,外区湍流结构尺度减小。雷诺应力的象限分析显示,第二象限(Q2)和第四象限(Q4)的应力幅值和发生频率在近壁减弱远壁增强,第一象限(Q1)和第三象限(Q3)象限应力幅值近壁几乎不变,但频率增大,远壁幅值增强频率不变。条件分析揭示,跃移层颗粒对外层流体表现为活跃粗糙元,是导致内层流向速度脉动和雷诺应力减弱而外层流体速度脉动与雷诺应力增强的主要原因。此外,颗粒上升和下降过程中的条件平均流场表明,颗粒由于重力作用导致的下降过程是使湍流结构受影响的主要原因。另外,本文采用将颗粒拉格朗日轨迹模拟与湍流含壁模型大涡模拟(WMLES)相结合的方法,成功再现了区域为600m×12m×75m的近地表风沙流输沙的沙条带现象。以浓度相关系数提取条带的特征尺度发现随风速增大减小、随粒径增大而增大。在典型的0.2mm粒径下,浓度相关系数0.05为0.2mm时,沙条带的流向特征长度尺度为24~30m,宽度可达3m,在粒径为0.5mm时,流向特征长度尺度为30~90m,展向宽度可达6~12m,为与已有野外观测结果吻合。本文分析表明:平坦、均匀可侵蚀地表沙条带现象与风场存在湍流超大/大尺度结构有关,高浓度输沙出现在条件平均的超大/大尺度结构扫掠地表时的尾迹区,可以看作是外区湍流结构在近壁跃移层的足迹;同时,沙条带现象受风沙流中沙粒和地表击溅过程的影响,在不可侵蚀的表面上,沙条带虽然可以向下游延伸很长的距离,但会变窄。


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