邊界層兩相流動(dòng)穩(wěn)定性理論與計(jì)算.pdf

1、邊界層流動(dòng)是一種典型的剪切流，邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性研究既具有理論意義，又有廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。兩相流動(dòng)或多相流動(dòng)的相關(guān)技術(shù)廣泛應(yīng)用于能源、化工、冶金、環(huán)保、建材等部門(mén)。與兩相流動(dòng)相關(guān)的技術(shù)往往成為設(shè)備的經(jīng)濟(jì)安全穩(wěn)定運(yùn)行、開(kāi)發(fā)新的工藝流程、發(fā)展新型氣固輸送、反應(yīng)、燃燒、分離等新裝置的關(guān)鍵技術(shù)。因此，兩相流動(dòng)研究長(zhǎng)期以來(lái)是工程中的一個(gè)重要課題。本文將兩相流動(dòng)與邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性相結(jié)合，研究邊界層內(nèi)兩相流動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。全文共六章，研究要點(diǎn)如下：

2、 第一章為概述，簡(jiǎn)要地闡述了本文的研究目的與意義，介紹了邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性的研究進(jìn)展，敘述了兩相流動(dòng)的主要研究方法，并對(duì)論文的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容進(jìn)行了說(shuō)明。 邊界層流動(dòng)穩(wěn)定性理論種類(lèi)繁多，計(jì)算方法也多種多樣。第二章比較詳細(xì)地介紹了平板邊界層理論、邊界層線性穩(wěn)定性理論與計(jì)算、時(shí)間線性穩(wěn)定性與空間線性穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)換關(guān)系(Gaster理論)、弱非線性穩(wěn)定性理論的相關(guān)概念和計(jì)算方法。一方面通過(guò)與前人結(jié)論的計(jì)算比較，證明本文的計(jì)算方法是切實(shí)可行的

3、；另一方面，通過(guò)介紹與分析這些理論和計(jì)算方法，找出它們之間的聯(lián)系，比較其中的優(yōu)劣，從眾多的穩(wěn)定性理論和方法中為兩相流動(dòng)穩(wěn)定性的研究選擇了具體研究方法：即穩(wěn)定性理論采用時(shí)間穩(wěn)定性方法，邊界條件采用區(qū)間截?cái)喾?，?shù)值計(jì)算采用Chebyshev譜方法。 由于兩相流動(dòng)的復(fù)雜性，本文將兩相流動(dòng)穩(wěn)定性分解成兩個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的物理模型，即非均勻的分層流動(dòng)穩(wěn)定性和均勻的兩相流動(dòng)穩(wěn)定性。 第三章將分層流動(dòng)理論和邊界層穩(wěn)定性理論相結(jié)合，研究了邊界

4、層分層流動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。分層流動(dòng)對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響體現(xiàn)在分層流動(dòng)穩(wěn)定性方程中的兩個(gè)參數(shù)，即全局Richardson數(shù)和Schmidt數(shù)，其中全局Richardson數(shù)對(duì)分層流動(dòng)的穩(wěn)定性有決定性的作用。全局Richardson數(shù)對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響與它的符號(hào)有關(guān)，當(dāng)全局Richardson數(shù)大于零時(shí)，分層流動(dòng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，其值越大，流動(dòng)越穩(wěn)定，當(dāng)全局Richardson數(shù)大到一定程度時(shí)，臨界Reynolds數(shù)趨近無(wú)窮，流動(dòng)是絕對(duì)穩(wěn)定的；當(dāng)全局R

5、ichardson數(shù)小于零時(shí)，分層流動(dòng)穩(wěn)定性降低，當(dāng)小到一定程度時(shí)，臨界Reynolds數(shù)趨近零，流動(dòng)是絕對(duì)不穩(wěn)定的。Schmidt數(shù)對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響比較復(fù)雜，取決于決定Schmidt數(shù)的兩個(gè)物理量，即粘性系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)的比值，總的說(shuō)來(lái)，在全局Richardson數(shù)大于零的分層流動(dòng)中，Schmidt數(shù)是增強(qiáng)流動(dòng)穩(wěn)定性的。 第四章將Marble和Saffman兩相流動(dòng)線性穩(wěn)定性理論與邊界層穩(wěn)定性理論相結(jié)合，研究了平板邊界層兩相流

6、動(dòng)線性穩(wěn)定性問(wèn)題，并考慮了壓力梯度和流動(dòng)非平行性對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響。兩相流動(dòng)對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響體現(xiàn)在兩相流動(dòng)穩(wěn)定性方程中的兩個(gè)參數(shù)，即Stokes數(shù)和粒子質(zhì)量濃度。不同的Stokes數(shù)對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性有不同的作用，粒子質(zhì)量濃度對(duì)兩相流動(dòng)穩(wěn)定性的影響取決于粒子Stokes數(shù)的大小。小Stokes數(shù)的粒子降低流動(dòng)穩(wěn)定性，粒子質(zhì)量濃度越高，兩相流動(dòng)穩(wěn)定性越低；反之，大Stokes數(shù)的粒子增強(qiáng)流動(dòng)穩(wěn)定性，粒子質(zhì)量濃度越高,兩相流動(dòng)穩(wěn)定性也越強(qiáng)。這與

7、Saffman理論的漸進(jìn)分析是一致的。存在一個(gè)臨界Stokes數(shù)，滿(mǎn)足這種條件的粒子既不增強(qiáng)兩相流動(dòng)穩(wěn)定性，也不降低兩相流動(dòng)穩(wěn)定性，通過(guò)計(jì)算，對(duì)邊界層而言，這一臨界Stokes數(shù)約為1，但不是一個(gè)定值，它隨著其他參數(shù)的變化而改變，但變化不是很大。最能有效抑制兩相流動(dòng)失去穩(wěn)定性的粒子Stokes數(shù)在10的量級(jí)。壓力梯度對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響主要是通過(guò)改變基本流動(dòng)速度的分布；逆壓梯度降低流動(dòng)穩(wěn)定性，而順壓梯度增強(qiáng)流動(dòng)穩(wěn)定性；壓力梯度雖然對(duì)兩相流

8、動(dòng)的一些參數(shù)(如擾動(dòng)頻率和波數(shù)等)有一定的影響，但并沒(méi)有改變粒子對(duì)兩相流動(dòng)穩(wěn)定性影響的趨勢(shì)。流動(dòng)的非平行性體現(xiàn)在法向的速度的分布上，法向基本速度分布對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響，總的來(lái)說(shuō)是降低流動(dòng)穩(wěn)定性，但是法向基本速度分布沒(méi)有改變粒子對(duì)兩相流動(dòng)穩(wěn)定性影響的趨勢(shì)。 非線性是層流向湍流轉(zhuǎn)捩的本質(zhì)特征，由于非線性穩(wěn)定性問(wèn)題的復(fù)雜性，這方面的突破很少。一種比較簡(jiǎn)便的方式是基于有限振幅的擾動(dòng)，研究流動(dòng)的穩(wěn)定性。第五章將Stuart的弱非線性穩(wěn)定性

9、理論與Saffman的兩相流動(dòng)線性穩(wěn)定性理論相結(jié)合，應(yīng)用于平板邊界層流動(dòng)，建立了邊界層兩相流動(dòng)的一階弱非線性穩(wěn)定性方程。擾動(dòng)的非線性相互作用產(chǎn)生Reynolds應(yīng)力，改變基本流動(dòng)速度分布，使變形的基本流動(dòng)速度分布的剪切率降低(與Blasius速度分布相比)；而兩相流動(dòng)中粒子的存在，減輕了兩相基本流動(dòng)速度分布的變形。擾動(dòng)的非線性相互作用降低了流動(dòng)穩(wěn)定性；但是并沒(méi)有改變粒子對(duì)兩相流動(dòng)穩(wěn)定性的影響趨勢(shì)?；玖鲃?dòng)和擾動(dòng)之間的非線性相互作用降低了