气固两相流气相亚格子模型效应的研究

论文摘要

气固两相流动现象广泛存在于能源、化工、冶金、轻工等领域中,深入认识和掌握气固两相流动的内在机理和规律有着重要的实际意义,随着计算机技术的不断发展,数值模拟已成为研究气固两相流动主要方法之一。大涡模拟包含了直接数值模拟和雷诺平均法的思想,对空间分辨率的要求要远小于直接模拟的方法,在现有的计算机的条件下,可以模拟出较高雷诺数和较复杂的湍流运动;另一方面,可以获得比雷诺平均模拟更多的湍流信息。因此,大涡数值模拟方法在气固两相流中有很广阔的前景。本文采用体积分数加权平均方法对气固两相流控制方程进行过滤,获得气相和颗粒相大涡模拟计算模型,基于颗粒动理学理论,采用双流体模型,对提升管内气固两相流动进行大涡模拟。模拟结果给出了提升管内的时均颗粒相浓度和速度分布,合理的预报出了提升管内的环-核流动结构。同时,分析了不同的气相亚格子模型系数Cg对模拟结果的影响,对于所研究的条件,气相亚格子模型系数Cg应该选取为0.1左右较为合理。考虑壁面能量耗散过大,通过壁面函数对模型进行修正,修正后的模拟结果更接近于实验值。采用梯度模式的气相亚格子模型进行提升管的数值模拟,研究结果表明在本文研究的范围内,梯度模式夸大了床中心区域能量耗散,因此不推荐采用梯度模式预测提升管内流动过程。同时对曳力系数进行修正,修正后更容易形成颗粒聚团,时均气相和颗粒相轴向速度都较修正前变大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气固两相流动的发展及分类
• 1.3 气固两相流的数值模拟方法
• 1.3.1 气固两相流动中气相湍流的数值模拟方法
• 1.3.2 气固两相流动中颗粒相的数值模拟
• 1.3.3 气固两相流动的相间耦合
• 1.4 大涡模拟方法
• 1.4.1 大涡模拟方法的发展
• 1.4.2 滤波
• 1.4.3 亚格子模型
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 气固两相流双流体大涡模拟模型
• 2.1 引言
• 2.2 双流体大涡模拟的数学模型
• 2.2.1 气相大涡模拟控制方程
• 2.2.2 颗粒相大涡模拟控制方程
• 2.2.3 气固相间作用力
• 2.2.4 拟颗粒温度方程
• 2.2.5 壁面函数
• 2.3 边界条件
• 2.4 本章小结
• 第3章 提升管内气固两相流动特性模拟
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型及边界条件
• 3.3 计算结果及讨论
• 3.3.1 瞬时颗粒相浓度分布
• 3.3.2 瞬时颗粒相和气相的速度分布
• 3.3.3 时均颗粒浓度分布
• 3.3.4 时均颗粒相和气相轴向速度分布
• 3.3.5 气相脉动速度分布
• 3.3.6 颗粒相脉动速度分布
• 3.3.7 气相湍动能分布
• 3.3.8 颗粒相湍动能分布
• 3.3.9 时均拟颗粒温度与浓度的关系
• 3.3.10 时均颗粒相有效粘度与浓度的关系
• 3.3.11 时均气相亚格子粘度与浓度的关系
• 3.3.12 壁面函数的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 梯度模式亚格子模型和提升管内流动的模拟
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型及边界条件
• 4.3 计算结果及讨论
• 4.3.1 瞬时颗粒相浓度分布
• 4.3.2 瞬时颗粒相和气相的速度分布
• 4.3.3 模拟值与Knowlton 等实验结果的对比
• 4.3.4 时均颗粒浓度分布
• 4.3.5 时均气相的轴向速度分布
• 4.3.6 时均颗粒相的轴向速度分布
• 4.3.7 气相脉动速度分布
• 4.3.8 颗粒相脉动速度分布
• 4.3.9 气相湍动能分布
• 4.3.10 颗粒相湍动能分布
• 4.3.11 时均拟颗粒温度与浓度的关系
• 4.3.12 时均颗粒粘度与浓度的关系
• 4.3.13 时均颗粒相热传导系数与浓度的关系
• 4.3.14 曳力系数的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢