方管中顆粒懸浮流的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、顆粒懸浮流在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自然界中廣泛存在，比如細(xì)胞顆粒分離，流化床，管道輸運(yùn)，以及更為常見(jiàn)的河道中泥沙沉降和輸運(yùn)等。盡管對(duì)這種流動(dòng)已經(jīng)有了大量的實(shí)驗(yàn)、數(shù)值方面的研究，但由于顆粒與流體之間相互作用的復(fù)雜性，至今對(duì)其流動(dòng)特性以及作用機(jī)理仍缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。
　　本論文采用并行化的虛擬區(qū)域方法對(duì)方管中中性懸浮顆粒的慣性遷移現(xiàn)象及顆粒與方管湍流的相互作用問(wèn)題進(jìn)行了直接數(shù)值模擬，層流狀態(tài)下研究了不同尺寸的顆粒在不同雷諾數(shù)、周期性管長(zhǎng)下的遷移平

2、衡位置及其穩(wěn)定性問(wèn)題，湍流狀態(tài)下研究了顆粒對(duì)方腔二次流、湍流統(tǒng)計(jì)量和流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)的影響。
　　管道雷諾數(shù)為100-1500范圍內(nèi)，顆粒的慣性遷移平衡位置分為方管對(duì)角線和中心線兩種。隨著雷諾數(shù)的增加，對(duì)角線上的平衡位置愈靠近角落，中心線上的平衡位置則先靠近壁面，再遠(yuǎn)離壁面，形成類似于圓管中的內(nèi)部平衡位置;小顆粒的平衡位置比大顆粒更靠近壁面，尤其對(duì)中心線處的平衡位置影響較大。在低Re條件下的長(zhǎng)管(管長(zhǎng)4H)中，對(duì)角線上的平衡位置穩(wěn)定性較

3、弱;高Re下，中心線上平衡位置同樣趨于不穩(wěn)定，小顆粒表現(xiàn)的比較明顯?？s短管長(zhǎng)即短管(管長(zhǎng)2H)條件下，顆粒之間的距離減小，顆粒鏈更加穩(wěn)定，顆粒誘導(dǎo)渦分布于整個(gè)管道中，使得對(duì)角線和中心線上的兩個(gè)平衡位置都能穩(wěn)定存在。高Re下，管長(zhǎng)的加長(zhǎng)，易使得流動(dòng)向湍流轉(zhuǎn)變，從而得不到平衡位置。多個(gè)顆粒的慣性遷移遵循單顆粒的遷移規(guī)律，在平衡位置處形成流向上穩(wěn)定的顆粒鏈結(jié)構(gòu)。
　　剪切雷諾數(shù)為150條件下，中性懸浮的顆粒在低濃度下增加了中心截面的流向

4、平均速度，但整體而言則是增加了流動(dòng)阻力。顆粒濃度的增加使得二次流中心沿著近似直線的軌跡向方管中心內(nèi)部靠近。同濃度下，小顆粒對(duì)二次流的影響要大于大顆粒。顆粒的存在對(duì)大尺度流向渦起到了抑制作用，使得大尺度渦破碎成小尺度渦，減弱了流體上拋運(yùn)動(dòng)，削弱了近壁面處的流向脈動(dòng)速度均方根值，增加了近壁面處的法向和展向的脈動(dòng)速度均方根值。顆粒的削弱作用在流向最大脈動(dòng)速度均方根值附近達(dá)到最強(qiáng);在對(duì)數(shù)律區(qū)域，流向脈動(dòng)速度均方根值變化不大，法向和展向的脈動(dòng)速度