三维气固两相平板间射流中相间耦合作用的直接数值模拟

论文摘要

关于气固两相湍流中颗粒与流体相互作用以及其中颗粒之间的碰撞问题,多年来一直是国内外关于气固两相流动的研究热点和难点问题。气固两相平面射流作为一种典型的自由剪切流动,在自然界与实际的工程应用中广泛存在。但是迄今为止,对三维气固两相平板间湍流射流中相间耦合的研究还很少,其中采用直接数值模拟（DNS）进行的研究更是几乎没有。在这样的背景下,本学位论文采用DNS方法集中对不可压缩的三维气固两相平板间湍流射流中相间作用规律进行了研究。其中对流场不引入任何湍流模型,采用DNS方法直接求解完整的三维非定常的Navier-Stokes方程组,对颗粒的跟踪分别采用基于单向和双向耦合的拉格朗日方法,颗粒之间的碰撞采用确定性的硬球模型,颗粒与流体之间的动量耦合采用点力描述。首先在单向耦合情况下,单独考察了不同Stokes的颗粒间碰撞及其对颗粒扩散特性的影响。模拟发现不同Stokes数的颗粒碰撞与其扩散特点及流场拟序涡结构的演化有着密切的关系,尽管整个流场的颗粒平均浓度较低,但是在颗粒局部聚集的较高浓度区域都可以观察到颗粒碰撞的发生。同时发现,颗粒的局部聚集效应是较小惯性颗粒发生碰撞的主导因素,而较大惯性颗粒的碰撞现象则主要受湍流输运作用的影响。此外,颗粒碰撞使得颗粒在流场中的分布更加均匀,扩散程度也有所增加。对于流场中颗粒尺寸按照Rosin-Rammler函数分布时的研究发现,不同粒径颗粒混合的情形下,流场中颗粒发生碰撞的次数明显变多了碰撞对颗粒扩散统计结果的影响也明显了。接着采用双向耦合的方法,对流场中颗粒与流体之间的相互作用进行了详细的研究。计算时,为了得到更为真实准确的结果,没有采用计算颗粒的概念,而是对不同载荷下流场中的实际颗粒数目进行了跟踪。模拟结果表明不同Stokes数的颗粒都改变了流场拟序涡结构的发展演化,对于同一种Stokes数的颗粒而言,颗粒固相载荷越大,对流场涡结构的影响越明显。颗粒使得流场流向平均速度剖面变高变窄了,降低了流场的横向平均速度和脉动速度。相同载荷的情况下,Stokes数为0.5和1的两种颗粒对流场平均速度的改变程度要更明显。同时发现,颗粒使射流中心线上的流向平均速度衰减变慢了,且在相同载荷的情况下,Stokes数为0.5的较小颗粒影响更明显。所有颗粒都增加了流场横向两侧的湍流强度,减小了流场湍动能和雷诺应力。此外,还发现双向耦合效应对颗粒运动及扩散的影响也不容忽视,双向耦合效应使不同Stokes数颗粒的扩散特点都发生了变化,并且改变了颗粒在流场中的扩散程度、运动速度、浓度以及能量分布情况。最后,考虑四向耦合效应对较低载荷情况下的三维气固两相射流中的相间耦合作用作了进一步的探讨。通过对颗粒间的碰撞进行了定量统计,发现碰撞主要集中分布在流场的中心区域、颗粒碰撞次数与颗粒在流场中的浓度、运动速度和颗粒粒径都有关系,其中stokes数为100的颗粒在流场中碰撞发生的次数最多。同时发现颗粒碰撞对流场统计特性产生了不同程度的影响,各种Stokes数的颗粒碰撞作用都加快了气相中心速度的衰减、增强了流场的总湍流强度。但是在较低固相载荷的情形下,四向耦合不会从根本上改变流场的性质。此外,对四向耦合情况下颗粒在流场中的运动速度及浓度分布进行了统计,发现不同Stokes数的颗粒在流场中的速度及浓度分布与其在流场中的运动扩散特点有密切的关系。同时也初步探讨了颗粒碰撞对其在射流中心线上运动特性的影响,发现碰撞改变了颗粒沿横向的运动速度和方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论和文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 颗粒间的碰撞（inter-particle collision）
• 1.3 颗粒-流体之间的相互作用（particle-fluid interaction）
• 1.3.1 单向耦合（one-way coupling）
• 1.3.2 双向耦合（two-way coupling）
• 1.3.3 四向耦合（four-way coupling）
• 1.4 射流的研究进展
• 1.5 本论文的研究内容
• 1.6 章节安排
• 参考文献
• 第二章 数值模拟方法
• 2.1 气固两相湍流的数值模拟方法
• 2.1.1 气相流动的数值模拟方法
• 2.1.1.1 雷诺平均方法
• 2.1.1.2 直接数值模拟
• 2.1.1.3 大涡模拟方法
• 2.1.1.4 离散涡方法
• 2.1.2 颗粒相的数值模拟
• 2.1.3 气固两相流动的直接数值模拟
• 2.1.4 颗粒碰撞的处理方法
• 2.2 本文的数值模拟方法
• 2.2.1 气相场的模拟
• 2.2.2 颗粒运动轨迹的模拟
• 2.2.2.1 不考虑颗粒碰撞时颗粒的运动
• 2.2.2.2 颗粒之间的碰撞模拟
• 2.2.3 颗粒-流体双向耦合模型
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 三维气固两相平板间射流中颗粒碰撞的直接数值模拟
• 3.1 计算工况
• 3.1.1 流动构造和计算网格
• 3.1.2 初始条件和边界条件
• 3.2 数值模拟结果和讨论
• 3.2.1 颗粒碰撞的空间分布
• 3.2.2 Stokes数对颗粒碰撞的影响
• 3.2.3 碰撞对颗粒扩散的影响
• 3.2.4 不同粒径的颗粒间碰撞
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 三维平板间射流中离散颗粒与流场相互作用的直接数值模拟
• 4.1 计算工况说明
• 4.2 不同固相载荷的颗粒与流场相互作用的DNS结果
• 4.2.1 颗粒对流场涡结构的影响
• 4.2.2 颗粒对流场速度的影响
• 4.2.3 颗粒对湍流强度和雷诺应力的影响
• 4.2.4 颗粒对湍动能的影响
• 4.2.5 双向耦合效应对颗粒扩散的影响
• 4.2.6 双向耦合效应对颗粒动能的影响
• 4.3 不同Stokes数的颗粒与流场相互作用的DNS结果
• 4.3.1 颗粒对流场涡结构的影响
• 4.3.2 颗粒对流场速度的影响
• 4.3.3 颗粒对湍流强度的影响
• 4.3.4 颗粒对湍动能和雷诺应力的影响
• 4.3.5 双向耦合效应对颗粒扩散及其运动的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 考虑四向耦合的三维平板间湍流射流的直接数值模拟
• 5.1 计算工况说明
• 5.2 模拟结果与实验的对比
• 5.3 颗粒碰撞的统计结果
• 5.4 颗粒碰撞作用对流场特性的影响
• 5.4.1 颗粒碰撞对射流平均速度的影响
• 5.4.2 颗粒碰撞对流场湍流强度的影响
• 5.4.3 颗粒碰撞对湍动能和雷诺应力的影响
• 5.4.4 四向耦合情况下流场的统计特性
• 5.5 四向耦合下颗粒的统计结果
• 5.5.1 颗粒速度的统计
• 5.5.2 颗粒浓度的统计
• 5.5.3 颗粒碰撞对其在射流中心线上运动特性的影响
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 攻博期间发表的学术论文
• 致谢