顆粒繞流流動(dòng)與受力特性的格子Boltzmann模擬研究.pdf

1、顆粒流體系統(tǒng)廣泛存在于工業(yè)中,例如流體流經(jīng)固定顆粒床、固體顆粒流態(tài)化及密閉管道中的氣力輸送等。兩相流動(dòng)往往伴隨傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程,致使顆粒與顆粒、顆粒與流體之間的動(dòng)力學(xué)特性相當(dāng)復(fù)雜,需要對(duì)顆粒流體復(fù)雜的局部環(huán)境及顆粒流體的作用機(jī)理進(jìn)行研究以便更有效地設(shè)計(jì)、改進(jìn)和控制生產(chǎn)過(guò)程。
　　本文以顆粒流體系統(tǒng)的基本單元——雙顆粒、四顆粒繞流現(xiàn)象為研究對(duì)象,數(shù)學(xué)模型采用格子Boltzmann方法D2Q9模型,計(jì)算域出、入口及上、下壁面

2、的邊界處理采用非平衡外推法,顆粒曲表面的處理采用結(jié)合空間插值的非平衡外推法,流固表面受力的計(jì)算采用動(dòng)量交換法。基于C++平臺(tái)自編程序,研究了不同顆粒間距、顆粒排布方式和不同雷諾數(shù)下的流動(dòng)模式與受力特性的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:
　　(1)Re=200時(shí),并列排布下,流動(dòng)模式按間距比可分為單體模式、間隙流模式、平行渦街模式,臨界間距比分別為1.2和2.2。不同流動(dòng)模式內(nèi),兩顆粒的平均曳力系數(shù)(CD)均隨著間距比的增大而減小。平均升力

3、系數(shù)(CL)隨間距比的增大而減小,表明間距比越大,上下排顆?；コ庾饔迷饺?。串列排布時(shí),流動(dòng)模式按間距比可分為單體模式、再附著模式、雙脫落模式,臨界間距比分別為2.0和4.1。在單體模式和再附著模式內(nèi),上游顆粒的CD值隨著L/D增大而減小,下游顆粒的CD值為負(fù)值,此時(shí)兩顆粒相互吸引。在雙脫落模式內(nèi),上、下游顆粒的CD值均隨著L/D增大而緩慢增大,表明兩顆粒間引力減弱。
　　(2)四顆粒繞流流動(dòng)模式及受力特性與Re、間距比及排布方式有

4、關(guān)。正形排布時(shí),流動(dòng)模式分為單體模式、穩(wěn)定屏蔽模式、擺動(dòng)屏蔽模式及渦脫落模式四種,臨界間距的劃分受Re的影響,Re越小越滯后。流動(dòng)模式的轉(zhuǎn)變是CD、曳力系數(shù)均方根、升力系數(shù)均方根發(fā)生突變的主要原因。隨間距增大,上游顆粒CD值漸小,而下游顆粒CD值漸大,表明上游顆粒所受曳力的一部分轉(zhuǎn)移到下游顆粒上。菱形排布的流動(dòng)模式隨顆粒間距比的增大可以分為單體模式、狹窄間隙流模式、渦沖擊模式三種,臨界間距的劃分同樣受Re的影響,Re=200時(shí)臨界間距為