气固两相平面混合层的直接数值模拟及扰动波对平面混合层的影响

摘要

本文使用直接数值模拟的方法研究了空间发展的二维平面混合层,迄今为止,使用大涡模拟的方法研究平面混合层的较多,但使用直接数值模拟的方法研究空间发展的平面混合层的数值成果相对较少.本文在系统、全面地回顾和总结近30年来两相湍流混合层研究现状的基础上,通过直接数值模拟和实验验证,对二维两相湍流混合层流动结构进行了开创性研究,取得了一些具有重要理论意义和实际应用价值的创新性成果.本文的求解对象是有弱可压缩性的流场控制方程组,并且采用单向耦合的方法模拟各种典型尺寸的颗粒在平面混合层流场中的扩散行为和浓度分布规律.DNS的数值方法基于高精度有限差分方法.文中采用具有高分辨率的4阶精度的紧致差分格式离散空间导数,同时,时间步进采用低存储量要求的4阶显式Runge-Kutta格式.非物理的出口区方法结合Thompson无反射边界条件被用于边界条件的设置.入口边界采用特征入流边界条件,并在出口边界作压力修正.数值结果揭示出的细致的流动结构证明这种数值方法成功的.本文中首先用DNS方法模拟了入口无扰动的二维平面混合层随时间发展的流场结构及典型尺寸的颗粒在流场中的运动规律.分两种计算工况:一种是取U<,1>/U<,2>=2:1,而基于入口速度差与初始动量厚度的雷诺数约为176.另一种是取U<,1>/U<,2>=5:1,而基于入口速度差与初始动量厚度的雷诺数约为664.计算结果得到了以空间发展的涡量场,同时精确地捕捉到了展向涡的卷起、两涡配对及三涡合并现象.从现象上看,三涡合并是两次两涡配对的线性叠加.两涡配对后的涡层厚度为单个展向涡核的2倍,三涡合并后近似为单个涡核的3倍.在统计结果中,平均纵向速度U与实验值较好地吻合,U在下游x/l<,r>=220(低雷诺数的混合层)处达到自相似状态.雷诺应力分布有一定的特殊性,√<'->u<'2>/△U显示了一个双驼峰的形状,在轴向中心线处雷诺应力在下游不再显示了一个很强增长的趋势,这个主要是由于涡的配对过程对它的影响.√<'->v<'2>/△U显示的形状与实验是一致的,只是其结果较实验值略高,略宽一些,这主要是由于在二维模拟中,缺少了z方向流场变量的影响.本文的第二部分为入口有扰动的二维气固两相平面混合层的DNS.主要研究了扰动波的存在对平面混合层中涡的卷起,涡的配对及合并的影响.由于在混合层入口有扰动波的存在,使得涡更快的卷起,而且卷起的位置更加靠近入口.同也使得展向涡的配对被延迟,在本文的研究中,精确的捕捉到了计算区域中的所有的展向涡只有卷起而没有配对现象,这也说明了扰动波(基波)的存在延迟了展向涡的配对.在流场的统计结果中,一阶平均量与实验结果符合得很好.由于扰动波存在,使得平均纵向速度U达到自相似状态的起始点比没有扰动存在时更靠近入口,即在x/l<,r>=180处.这与入口没有扰动时相比,在相同的计算区域中,可以捕捉到更多的流场和颗粒场的信息.雷诺应力分布的峰值量级和曲线性态与实验数据是一致的,但由于缺少展向应力R<'1/2><,ww>对湍流能量的分流,R<'1/2><,uu>和R<'1/2><,vv>均积蓄了较多的能量,峰值较大.

目录

文摘

英文文摘

资助

致谢

第一章绪论

§1气固两相混合层湍流拟序结构的研究

§1-1气固两相混合层

§1-2气固两相混合层拟序结构研究概述

§2直接数值模拟(DNS)

§3本文的研究内容

第二章基于紧致有限差分的直接数值模拟的数值方法

§1流场控制方程组

§2空间导数的离散方法

§2-1一阶导数离散式

§2-2二阶导数离散式

§2-3交叉导数离散式

§2-4过滤格式

§3时间步进格式

§4边界条件

§4-1无反射边界条件

§4-2 PML缓冲区(Perfectly Matched Layer buffer zone)

§5计算网格

§6初始条件

§7颗粒运动方程

第三章空间模式的二维气固两相混合层直接数值模拟

§1流场模拟

§1-1计算工况

§1-2涡量场

§1-3涡结构

§1-4涡结构的研究意义

§1-5流场统计量

§2颗粒场模拟

§2-1宏观的颗粒分布

§3本章小结

第四章扰动波的存在对平面混合层的影响

§1扰动波

§1-1线性扰动方程

§1-2空间模式下的特征值

§1-3空间模式下的特征函数

§2流场模拟

§2-1计算工况

§2-2涡量场

§2-3流场统计量

§3颗粒场模拟

§3-1宏观的颗粒分布

§4本章小结

第五章全文总结

§1结论

§2对今后工作的展望

参考文献