擾動條件下氣固兩相圓柱繞流的直接數(shù)值模擬.pdf

1、本文使用直接數(shù)值模擬方法研究了三維氣固兩相圓柱繞流，迄今為止，使用直接數(shù)值模擬方法對氣固兩相圓柱繞流進(jìn)行三維的模擬所得到的研究成果還不是很豐富。本文在較為系統(tǒng)的回顧和總結(jié)近期圓柱繞流以及氣固兩相圓柱繞流研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過三維的直接數(shù)值模擬，對流場入口條件對氣固兩相圓柱繞流運動的影響進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，取得了一些具有重要理論意義和實際應(yīng)用價值的創(chuàng)新性成果。 本文的求解對象是具有不可壓縮性質(zhì)的流場控制方程組，并且采用單相耦合的方

2、法模擬各種典型雷諾數(shù)和典型顆粒大小情況下流場流動和顆粒場擴(kuò)散行為受到流場入口條件的影響。DNS的數(shù)值方法基于高精度緊致差分方法。本文采用Lele在1992年的綜述中提出的4階精度的緊致差分格式離散空間導(dǎo)數(shù)，同時時間步進(jìn)采用Jameson提出的低存儲量要求的4階Runge-Kutta格式。邊界條件的設(shè)置采用Orlanski的無反射邊界條件來捕捉瞬態(tài)流動中的Karman渦街。數(shù)值結(jié)果揭示出的和Williamson經(jīng)典試驗相一致的流場流動的A

3、，B模式的出現(xiàn)證明了這種方法是成功的。 本文首先用DNS方法模擬了均勻來流速度進(jìn)口條件和非均勻來流速度進(jìn)口條件下三維氣固兩相圓柱繞流的流場結(jié)構(gòu)和顆粒在流場中的擴(kuò)散行為。對于兩種來流條件，都對兩種雷諾數(shù)200、180和兩種顆粒大小斯托克斯數(shù)為1、斯托克斯數(shù)為0.01，組合四種情況進(jìn)行了計算。計算結(jié)果得到了圓柱繞流向三維轉(zhuǎn)捩的過程，成功的捕捉到了Karman渦街，觀察到了A，B模式的出現(xiàn)。將非均勻來流速度進(jìn)口條件下計算所得到的結(jié)果和

4、均勻來流速度進(jìn)口條件下的計算結(jié)果進(jìn)行比較可以看到：在流場流動中，非均勻來流加速了流場向三維的轉(zhuǎn)捩，而且在展向上的渦卷起的強(qiáng)度更大。在顆粒的擴(kuò)散上，非均勻來流對于顆粒在y坐標(biāo)方向上的擴(kuò)散的影響并不大，但是對于顆粒在z坐標(biāo)方向上的擴(kuò)散卻是有十分巨大的區(qū)別，非均勻來流大大的促進(jìn)了顆粒在z坐標(biāo)方向上的擴(kuò)散，無論是在雷諾數(shù)為200，180，顆粒斯托克斯數(shù)為0.01，1的各種情況下。 本文的第二部分轉(zhuǎn)而考察顆粒進(jìn)口速度分布的不同對于顆粒在圓

5、柱尾流中擴(kuò)散行為的影響，其中采用了顆粒速度大小和速度方向均符合正態(tài)分布來代表非均勻顆粒進(jìn)口速度分布。同第一部分相同，對于兩種顆粒速度進(jìn)口分布都針對兩種雷諾數(shù)200、180和兩種顆粒斯托克斯數(shù)1、0.01進(jìn)行了模擬計算。計算的結(jié)果表明：顆粒進(jìn)口速度分布的不同對于顆粒在圓柱尾流中擴(kuò)散水平的影響很大程度上取決于顆粒慣性和流場對顆粒大小作用的量級是否可以比較，大顆粒的慣性在流向上和展向上都可以與流場作用相比，所以非均勻顆粒速度進(jìn)口分布對于顆粒擴(kuò)