水平槽道氣固兩相湍流變動(dòng)的PIV實(shí)驗(yàn)研究和直接數(shù)值模擬.pdf

1、兩相湍流的變動(dòng)機(jī)理一直是多相流研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。由于相間作用的復(fù)雜性，盡管這方面已經(jīng)開展了大量工作并取得了一定成果，但在很多方面仍然認(rèn)識(shí)不足，尤其是低載荷下的湍流變動(dòng)。本文將從實(shí)驗(yàn)和模擬兩個(gè)方面對(duì)水平槽道稀疏氣固兩相湍流變動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，重點(diǎn)關(guān)注壁面湍流邊界層中由顆粒引起的擬序結(jié)構(gòu)變動(dòng)。
　　 本文首先采用高解析度PIV兩相同時(shí)測(cè)量技術(shù)，對(duì)水平槽道氣固兩相湍流下邊界層進(jìn)行測(cè)量。顆粒相采用直徑60μm和110μm的聚乙烯微珠，

2、質(zhì)量載荷從2.5×10-4 到5×10-3，壁面剪切雷諾數(shù)為Reτ=430。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顆粒的存在抑制了湍流擬序結(jié)構(gòu)，使得湍流的準(zhǔn)流向結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度減小、猝發(fā)頻率降低、猝發(fā)強(qiáng)度減弱，進(jìn)而引起了法向脈動(dòng)速度和剪切雷諾應(yīng)力在湍流核心區(qū)的減小。另外，顆粒的尾渦還導(dǎo)致了法向脈動(dòng)速度和剪切雷諾應(yīng)力在壁面附近的增大。顆粒通過拖曳力作用，使得氣相流向速度梯度在邊界層外層減小，而在粘性底層增加，與此同時(shí)粘性底層的厚度也隨之減小。這一結(jié)果導(dǎo)致了壁面附近的流向

3、脈動(dòng)速度峰值增大，并且峰值所在的位置也更加靠近壁面。正因?yàn)槿绱?，氣相流向脈動(dòng)速度分布曲線才呈現(xiàn)出在壁面附近減小，而靠近槽道中心增加的趨勢(shì)。
　　 論文進(jìn)而通過直接數(shù)值模擬和拉格朗日顆粒跟蹤方法對(duì)Reτ=150的槽道兩相湍流進(jìn)行了模擬。首先在單向耦合條件下，分別模擬了St=1、5和25 三種顆粒的擴(kuò)散行為，結(jié)果表明顆粒在壁面低速條紋區(qū)的富集現(xiàn)象不同于均勻各向同性以及自由剪切湍流，當(dāng)Stokes 數(shù)位于10～100之間時(shí)，顆粒在低速

4、條紋區(qū)的富集現(xiàn)象最顯著。接著在兩向耦合條件下，檢查了水平和豎直槽道中由銅珠顆粒（St=200）引起的湍流變動(dòng)，結(jié)果表明重力導(dǎo)致了水平與豎直槽道中的湍流變動(dòng)差異，并且豎直槽道中顆粒在低速條紋區(qū)的富集現(xiàn)象也比在水平槽道中更加強(qiáng)烈。最后，應(yīng)用Jeong et al.（1995，1997）
　　 提出的渦結(jié)構(gòu)識(shí)別方法，提取并對(duì)比了水平和豎直槽道中顆粒加入前后的準(zhǔn)流向渦特征結(jié)構(gòu)，可以清楚地發(fā)現(xiàn)水平槽道中顆粒使得準(zhǔn)流向渦的長(zhǎng)度和直徑都有所減

5、小，而豎直槽道中則都有所增加；通過檢查準(zhǔn)流向渦中心截面（x+=0）上的速度脈動(dòng)、剪切雷諾應(yīng)力、渦量和壓力分布，可以發(fā)現(xiàn)顆粒抑制了的準(zhǔn)流向渦強(qiáng)度，并且顆粒在水平槽道中抑制作用大于豎直槽道。
　　 通過本文的實(shí)驗(yàn)和模擬研究結(jié)果表明，槽道湍流中低載荷下的湍流變動(dòng)源自于顆粒對(duì)邊界層湍流擬序結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用，顆粒通過改變壁面附近的準(zhǔn)流向渦結(jié)構(gòu)來(lái)影響了全流場(chǎng)的湍流屬性。此外，氣固兩相湍流中的顆粒運(yùn)動(dòng)由自身慣性控制，水平槽道中的顆粒在重力沉降作