热剪切湍流中微细颗粒输运特性的大涡模拟研究

论文摘要

热剪切湍流是自然界的主要流动现象,也大量出现在工程问题中;而气粒两相湍流的研究正是当前社会和科学研究十分关注的领域。本文着重研究热分层湍流环境中的气粒两相流问题,为当今的大气环境中的污染物扩散和沉降等问题给出更深入的理解。文中使用Euler大涡模拟方法结合Lagrange粒子追踪技术,对存在热浮力作用的槽道湍流中颗粒运动进行模拟研究。计算结果表明,对于不同大小的颗粒,Stokes数大的颗粒内层平均速度、脉动强度都比较大,同流场的相关性却较弱;随着颗粒Stokes数增大,颗粒在流场中的各向异性加强;近壁区、中心区域,Stokes数居中的颗粒有最大浓度,最大Stokes数的颗粒物浓度则最小。小Stokes数颗粒在槽道近壁区有明显的条带结构分布,在中心区域的涡结构内也有局部团聚现象;而大Stokes颗粒在槽道内的分布呈现为近似随机分布。在伴随有热不均匀的分层流场中,扩散相粒子流向平均速度和脉动强度都有明显的变化。在法向方向上,由于受热浮力的影响,脉动强度的变化尤为明显。不稳定分层使得粒子的各项异性明显削弱,在槽道中心区域,粒子运动几乎接近各项同性;稳定分层使得粒子的各项异性在近壁区和中部均有所增强。粒子的瞬时分布形态受近壁区流场相干结构比受分层效应影响更明显,而在中心区域,稳定分层形成了粒群的局部积聚现象。粒子在槽道内的浓度分布随着Richardson数的变化呈现出规律性的改变。在颗粒的双向耦合模型的模拟中,颗粒对流场反馈作用对流场的流向平均速度的影响并不明显;而颗粒自身的流向平均速度有略微减小。在考虑颗粒作用力对流场的影响后,流场的脉动强度减小,湍动能下降,同时颗粒的脉动强度也减小。在颗粒体积浓度为10-5量级时,分别采用单、双向耦合模型会给计算结果带来一定的区别,但颗粒作用力对流场运动的影响不明显。关于微细颗粒的沉降问题,在热剪切湍流中,颗粒热泳力对壁面沉降的影响较为明显。热泳现象促进了冷壁面附近的颗粒沉降,而促使热壁面附近的颗粒朝中部区运动。本文还得出存在热泳现象时颗粒的沉积速率与颗粒响应时间之间的关系式。另外,热泳力的作用使得冷壁面附近颗粒分布的条带结构被打乱,热壁面附近的条带结构则由于颗粒数量增加而变得更加模糊。在不同分层条件下,颗粒的法向脉动强度随着Riτ数增大而减小。稳定分层下,壁面附近温度梯度的下降引起了颗粒所受热泳力大小逐渐减小,于是在冷壁面处沉积的颗粒浓度随着Riτ数增大而减小;热壁面处的颗粒浓度随着Riτ数增大而逐渐增大。最后,通过计算分析后得出了颗粒的沉积速率与不同稳定分层情况（不同Riτ数）的关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 气粒两相流的研究背景和意义
• 1.1.1 本文研究意义
• 1.1.2 气粒两相流的研究现状
• 1.1.3 热分层环境下的气粒两相流问题
• 1.2 两相流问题的研究方法
• 1.2.1 湍流场的研究方法
• 1.2.2 固相颗粒的研究方法
• 1.2.3 湍流和颗粒的相互作用及研究方法
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 气粒两相流数学模型及数值方法
• 2.1 两相湍流数学模型
• 2.1.1 欧拉-拉格朗日体系
• 2.1.2 流场控制方程
• 2.1.3 颗粒控制方程
• 2.2 流场运动方程的大涡模拟方法
• 2.2.1 滤波
• 2.2.2 大涡模拟的控制方程
• 2.2.3 亚格子应力模型构造
• 2.3 数值方法
• 2.3.1 流场控制方程的离散
• 2.3.2 颗粒运动方程的离散
• 2.4 计算验证
• 2.4.1 不同阶数Lagrange 插值方法的比较
• 2.4.2 流场及颗粒计算结果验证
• 第三章 热分层湍流中颗粒动力学行为和输运特性
• 3.1 计算模拟方法
• 3.1.1 单向耦合模式流场求解过程
• 3.1.2 颗粒运动求解过程
• 3.2 稳定分层条件下不同颗粒运动的模拟及讨论
• 3.2.1 颗粒速度场统计量
• 3.2.2 颗粒瞬时分布结构及浓度分布规律
• 3.3 不同分层条件下颗粒运动的模拟及讨论
• 3.3.1 颗粒速度场统计量
• 3.3.2 颗粒瞬时分布结构及浓度分布规律
• 3.4 本章小结
• 第四章 气粒两相流双向耦合模型
• 4.1 气粒两相流的双向耦合控制方程
• 4.1.1 固相颗粒对流场反作用项构建模式
• 4.1.2 控制方程
• 4.2 单、双向耦合模型的计算结果比较
• 4.3 本章小结
• 第五章 可吸入细颗粒物在热分层剪切湍流中的热泳沉积和分布
• 5.1 数学模型和模拟方法
• 5.1.1 可吸入颗粒物的运动方程
• 5.2 不同微细颗粒的输运特征和沉积规律
• 5.2.1 颗粒、流场的统计规律
• 5.2.2 热泳力对颗粒物沉降的影响
• 5.2.3 近壁区颗粒分布结构的变化
• 5.3 不同稳定分层条件下的微细颗粒物的运动情况
• 5.3.1 不同分层条件下的颗粒物统计
• 5.3.2 颗粒物的浓度变化
• 5.3.3 分层条件下颗粒物的沉积规律
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结及展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文