三維氣固兩相圓柱繞流的直接數(shù)值模擬.pdf

1、本文首先采用直接數(shù)值模擬方法研究了三維氣固兩相繞圓柱的物理特征。研究的流場(chǎng)是三維特性的流場(chǎng)，首先對(duì)三種雷諾數(shù)（Re=120、180、260）下圓柱后渦脫落的機(jī)理和渦的脫離頻率進(jìn)行了研究。研究證實(shí)，圓柱尾流的運(yùn)動(dòng)特征與流場(chǎng)雷諾數(shù)的大小有密切關(guān)系。隨著Re的升高，圓柱尾流的速度波動(dòng)幅度變大，并且渦從柱體脫落的頻率加快，卡門渦街縱向變寬，渦街的波動(dòng)頻率變大。在此基礎(chǔ)上，研究了圓柱繞流流場(chǎng)的二維到三維的轉(zhuǎn)捩過(guò)程，認(rèn)為轉(zhuǎn)捩過(guò)程是由于卡門渦脫落過(guò)程

2、中渦核的橢圓不穩(wěn)定性引起的，同時(shí)這種不穩(wěn)定性也導(dǎo)致卡門渦街沿展向的波動(dòng)，產(chǎn)生流向渦結(jié)構(gòu)，并且隨時(shí)間的發(fā)展，展向大渦結(jié)構(gòu)在流場(chǎng)下游處破碎為小尺度渦結(jié)構(gòu)，認(rèn)為這時(shí)轉(zhuǎn)捩過(guò)程發(fā)生。對(duì)渦的脫離頻率的研究證實(shí)了前人的試驗(yàn)結(jié)果，即渦的脫離頻率在雷諾數(shù)在0-300左右保持在0.2左右，并在240-260左右發(fā)生轉(zhuǎn)捩過(guò)程。 在獲得精確流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，研究了兩種耦合（單向、雙向）下的顆粒在三維圓柱繞流擬序結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散特性。使用顆粒瞬時(shí)分布的定性顯示和

3、擴(kuò)散率函數(shù)隨時(shí)間發(fā)展的定量比較結(jié)合的方法，重點(diǎn)分析了不同Stokes數(shù)的顆粒擴(kuò)散分布的在流場(chǎng)中的分布特性。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒Stokes數(shù)是決定其擴(kuò)散特性的主要因素。顆粒的Stokes數(shù)越小，顆粒的擴(kuò)散越大，意味著顆粒跟流體的混合越充分。由于在圓柱繞流中兩相鄰大渦旋轉(zhuǎn)方向相反，會(huì)產(chǎn)生很大的速度梯度，在這種吸力作用下，較大Stokes數(shù)的顆粒主要分布在兩相鄰渦結(jié)構(gòu)的邊界的區(qū)域和展向大渦的外圍。而較小Stokes數(shù)的顆粒被圓柱后尾渦卷吸進(jìn)入圓柱

4、尾部近壁區(qū)，甚至與圓柱后壁發(fā)生碰撞，而且顆粒在尾流中心區(qū)域形成“蘑菇”狀的擴(kuò)散。 對(duì)于顆粒對(duì)三維圓柱繞流所造成的變動(dòng)，雙向耦合的研究發(fā)現(xiàn)，不同Stokes數(shù)的顆粒都促進(jìn)了流場(chǎng)中渦結(jié)構(gòu)的演變，并且顆粒也使得流場(chǎng)中的各個(gè)方向的速度矢量增大。在雙向耦合下，顆粒的擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)特性函數(shù)形狀與單向耦合下基本一致，函數(shù)值略低，這也說(shuō)明雙向耦合作用使得顆粒的在流場(chǎng)中的分布更加均勻。在雙向耦合作用下，本文也著重探討了顆粒對(duì)氣相流場(chǎng)的各個(gè)方向上的平均速

5、度的影響，認(rèn)為顆粒的存在都使得流場(chǎng)平均速度減小，但是使得尾跡的寬度增大。顆粒的展向和橫向擴(kuò)散在雙向耦合下變小，說(shuō)明顆粒在流場(chǎng)中的均勻程度增大。 由于流場(chǎng)中存在鈍體，氣固兩相流體在鈍體附近流動(dòng)時(shí)，顆粒難免與圓柱發(fā)生碰撞。本文中著重研究了顆粒在近壁區(qū)的運(yùn)動(dòng)情況，研究發(fā)現(xiàn)，顆粒在近壁區(qū)運(yùn)動(dòng)主要受到柱面邊界層和圓柱后尾渦作用的影響。當(dāng)Stokes數(shù)較小時(shí)，顆粒不能穿過(guò)柱體前側(cè)邊界層，而在圓柱后受到尾流尾渦的卷吸，在圓柱后側(cè)沉積，

6、 并以圓柱發(fā)生碰撞。而較大Stokes數(shù)的顆粒由于慣性較大，可以直接穿過(guò)邊界層與圓柱發(fā)生碰撞，并且碰撞次數(shù)遠(yuǎn)大于較小Stokes數(shù)的顆粒。與單向耦合下的碰撞次數(shù)相比，較大Stokes數(shù)的顆?；緵](méi)有變化，而較小Stokes數(shù)的顆粒的碰撞次數(shù)為單向下的2倍左右。 在研究了顆粒與圓柱壁面的彈性碰撞之后，著重考慮了顆粒與壁面的非彈性碰撞和磨損。認(rèn)為隨著顆粒粒徑的增加，壁面的碰撞頻率增大，局部碰撞頻率的曲線較為特殊，粒徑較大的顆粒的碰撞位