湍流氣固兩相撞擊流多尺度特性及模型的數(shù)值研究.pdf

1、氣固兩相湍流撞擊流在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，但人們對(duì)其流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)存在不足，目前的研究主要關(guān)注湍流撞擊流中宏觀流動(dòng)特性，而對(duì)于撞擊流中的多尺度現(xiàn)象，比如氣相撞擊面結(jié)構(gòu)，擬序結(jié)構(gòu)以及顆粒運(yùn)動(dòng)行為關(guān)注較少。本文使用直接數(shù)值模擬（DNS）和大渦模擬（LES）的方法從撞擊面尺度，湍流渦團(tuán)尺度，單顆粒尺度，顆粒團(tuán)介觀尺度研究湍流撞擊流中氣粒兩相流動(dòng)特性，擴(kuò)展了對(duì)撞擊流基礎(chǔ)流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)。
　　首先，本文采用六階有限差分方法直接求解弱可壓縮等溫N

2、avier-Stokes方程，對(duì)中等雷諾數(shù)及以下（Re≤4100）的氣相撞擊流進(jìn)行了直接數(shù)值模擬，驗(yàn)證了層流撞擊流中的分叉失穩(wěn)現(xiàn)象，并研究了噴嘴出口擾動(dòng)對(duì)于中等噴嘴間距比（L/d=12）撞擊流中撞擊面不穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)撞擊流中徑向射流相比軸向射流更易失穩(wěn)，兩側(cè)不對(duì)稱的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致撞擊面出現(xiàn)振蕩，在較高頻率的擾動(dòng)激勵(lì)下，撞擊面會(huì)出現(xiàn)大幅度低頻準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象。對(duì)中等雷諾數(shù)（Re=4100）湍流撞擊流的DNS結(jié)果使用本征正交分解方法對(duì)撞擊面形

3、態(tài)進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的撞擊面主要表現(xiàn)為軸向振蕩和徑向偏斜兩種形態(tài)，其中軸向振蕩產(chǎn)生了撞擊區(qū)中高強(qiáng)度的湍流。本文還使用有限李雅普諾夫指數(shù)方法提取撞擊流中的拉格朗日撞擊面，從流體微團(tuán)的視角闡釋了撞擊面不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。
　　然后，通過(guò)向直接數(shù)值模擬方法中增加高精度過(guò)濾器以及亞網(wǎng)格應(yīng)力模型，發(fā)展了基于高階有限差分的大渦模擬方法，并模擬了中等間距比（L/d=12）和大間距比（L/d=30）的高雷諾數(shù)（Re=13500）湍流撞擊流，對(duì)比了

4、兩者的瞬態(tài)擬序結(jié)構(gòu)以及湍流渦團(tuán)尺度等，發(fā)現(xiàn)大間距比撞擊流由于軸向射流充分發(fā)展，流動(dòng)結(jié)構(gòu)受撞擊的破碎影響較小，流動(dòng)結(jié)構(gòu)的特征尺度以及撞擊面振蕩幅值和周期均大于中等間距比撞擊流。在對(duì)氣相湍流撞擊流進(jìn)行大渦模擬的基礎(chǔ)上，采用拉格朗日點(diǎn)源方法跟蹤顆粒軌跡，并考慮顆粒對(duì)流體的反向作用力，通過(guò)確定性軌道檢測(cè)方法與硬球模型處理顆粒間碰撞作用，研究了湍流撞擊流中不同慣性（8

5、對(duì)于單顆粒運(yùn)動(dòng)而言，顆粒慣性是影響顆粒滲透進(jìn)反向射流最大距離的主要因素。從雙側(cè)噴嘴噴入的顆粒在撞擊區(qū)中的穿插運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致較小的顆粒平均速度和較大的顆粒脈動(dòng)速度。小慣性顆粒（St=8）受氣相流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響較大，顆粒濃度分布具有間歇性。顆粒體積分?jǐn)?shù)越大，顆粒碰撞作用越強(qiáng)烈。顆粒碰撞抑制了顆粒的滲透運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致撞擊區(qū)的顆粒濃度升高，顆粒相速度梯度變大，強(qiáng)烈的顆粒碰撞使得撞擊區(qū)內(nèi)的顆粒分布趨于各向同性，將部分軸向脈動(dòng)速度轉(zhuǎn)化為徑向脈動(dòng)速度。不穩(wěn)定的撞

6、擊面會(huì)導(dǎo)致顆粒相出現(xiàn)類似氣相撞擊面的振蕩運(yùn)動(dòng)，小慣性顆粒和強(qiáng)烈的顆粒碰撞會(huì)強(qiáng)化顆粒的振蕩。顆粒的存在會(huì)削弱氣相撞擊面振蕩幅值和振蕩周期，且削弱作用隨顆粒相載荷的增加而增加，在中等間距比下導(dǎo)致撞擊區(qū)湍動(dòng)能下降，但在大噴嘴間距比下，由于顆粒相速度衰減比氣相慢，存在顆粒相向氣相的動(dòng)量傳遞，導(dǎo)致氣相在撞擊區(qū)的速度梯度和湍動(dòng)能的增強(qiáng)。
　　最后，本文根據(jù)顆粒的拉格朗日數(shù)據(jù)得到了撞擊流中顆粒團(tuán)歐拉場(chǎng)介觀速度和隨機(jī)不相關(guān)應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)對(duì)于氣固兩相撞