非等溫氣固兩相各向同性湍流的直接數(shù)值模擬.pdf

1、對(duì)于懸浮固體顆粒與輸運(yùn)流體的速度和溫度場(chǎng)之間相互作用內(nèi)在機(jī)理的探討和模型預(yù)報(bào)是湍流兩相反應(yīng)流體力學(xué)的核心問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外關(guān)于湍流氣粒兩相流動(dòng)的研究一直是非常活躍的，然而對(duì)非等溫兩相流的研究十分有限。 本文采用直接數(shù)值模擬研究了氣固兩相各向同性湍流中固體顆粒與流體的速度和溫度場(chǎng)間的相互作用。研究工作從顆粒與速度場(chǎng)間的相互作用入手，在詳細(xì)討論各向同性湍流中湍流對(duì)顆粒的輸運(yùn)以及顆粒引起的湍流變動(dòng)的基礎(chǔ)上，研究了流體對(duì)固體顆粒傳熱以及顆粒對(duì)

2、溫度場(chǎng)的影響。湍流速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的計(jì)算采用擬譜方法得到，衰減湍流的雷諾數(shù)范圍從45到24，而強(qiáng)制湍流中雷諾數(shù)為95。數(shù)值模擬假定顆粒的運(yùn)動(dòng)只受到慣性(弛豫時(shí)間)和體積力的影響，顆粒的直徑為30~300μm，對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱弛豫時(shí)間從0.1~100。 與流體顆粒相比，有慣性的顆粒都傾向于向流場(chǎng)內(nèi)低渦度、高應(yīng)變率的區(qū)域聚集，τp/τk ~1.0的顆粒表現(xiàn)得最為明顯，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為局部富集。局部富集現(xiàn)象極大地影響了顆粒在湍流中的彌散，局部

3、富集明顯時(shí)顆粒渦擴(kuò)散系數(shù)最大且比流體的高約25％。外加體積力引起的漂移速度削弱了顆粒的彌散，而且由于連續(xù)性效應(yīng)的影響，顆粒彌散在垂直于漂移速度方向的減弱趨勢(shì)要強(qiáng)于沿漂移速度的方向，這與Wang & Stock的理論預(yù)測(cè)很吻合。 在衰減湍流中，慣性很小的顆粒(τp/τk0=0.1)使得湍流衰減變慢，大顆粒(τp/τk0=5.0)則相反；中等大小的顆粒(τp/τk0=1.0)被渦團(tuán)甩出渦量大的核心區(qū)，其對(duì)速度場(chǎng)的變動(dòng)作用很不明顯。在

4、強(qiáng)制湍流中，當(dāng)質(zhì)量載荷等于1.0時(shí)，所有的顆粒都使得湍動(dòng)能和耗散率比零質(zhì)量載荷時(shí)低50％，攜帶有大顆粒(τp/τk0=5.0)的流場(chǎng)中耗散率甚至只有零載荷時(shí)的20％。譜分析顯示，顆粒對(duì)湍流的影響在不同尺度上是不同的，大尺度渦結(jié)構(gòu)的含能量由于顆粒的存在而減弱，小尺度結(jié)構(gòu)的含能量則增強(qiáng)了。 由于局部富集現(xiàn)象以及被動(dòng)標(biāo)量(溫度)場(chǎng)cliff結(jié)構(gòu)的影響，τp/τk~1的顆粒所見(jiàn)流體溫度脈動(dòng)強(qiáng)度最小，這一現(xiàn)象當(dāng)Pr=0.3時(shí)最為明顯，此時(shí)

5、顆粒所見(jiàn)流體溫度脈動(dòng)要比全場(chǎng)平均值低10％。隨顆粒慣性的增加，顆粒所見(jiàn)流體溫度的自相關(guān)比顆粒自身溫度的自關(guān)聯(lián)下降得快。增加Pr數(shù)，使得顆粒所見(jiàn)流體溫度的自相關(guān)系數(shù)衰減變快。在沿平均標(biāo)量梯度的方向，顆粒的速度分量與溫度脈動(dòng)之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。 顆粒對(duì)氣相溫度場(chǎng)的影響不同于顆粒引起的速度變動(dòng)。增大顆粒的質(zhì)量載荷會(huì)使得氣相溫度場(chǎng)的脈動(dòng)強(qiáng)度、溫度耗散率幾乎呈線性下降趨勢(shì)，而且減弱的程度隨顆粒比熱容的增大而增強(qiáng)。質(zhì)量載荷為1.0時(shí)氣相溫度