基于格子Boltzmann方法的撞击流流动不稳定性的数值研究

摘要

气流床煤气化技术在煤炭资源利用中得到了越来越广泛的应用。目前,国家已经立项两项有关气流床煤气化技术的重点基础研究项目,而气流床煤气化设备中的主要流动形式是撞击流。撞击流是一种滞止湍流,有别于常见的剪切湍流。因此,对撞击流的研究,不仅有重要的理论意义,还有深远的应用价值。
　　到目前为止,对于撞击流的研究还不够充分,许多基本的问题,比如撞击流的流动不稳定性,还没有得到深入的研究。由于这类滞止湍流对实验环境的要求十分苛刻,因此实验研究非常困难。近些年来,随着计算机技术的飞速发展,科学计算已经成为科学研究中不可或缺的重要研究手段。数值研究有望成为研究撞击流的一种重要途径。
　　近年来,格子Boltzmann方法已经发展成为模拟流体流动和为复杂物理现象建模的新工具。与传统的计算流体力学方法相比,格子Boltzmann方法具有许多独特的优势,如算法简单,边界条件容易处理,具有良好的并行性等。另外,在湍流研究领域,格子Boltzmann方法还具有很多其它的优势,如LES计算的涡量场精度高、方法本身具有更好的旋转不变性等。因此,格子Boltzmann方法有望成为数值研究撞击流的有力工具。
　　目前采用格子Boltzmann方法研究撞击流的工作较少,本文的研究工作无疑会推进格子Boltzmann方法在撞击流中的应用。更为重要的是,本文的工作为研究撞击流乃至滞止湍流提供了新的方法。论文的工作主要包括以下几个方面:
　　首先,为了模拟三维不可压湍流流动问题,本文发展了两类新的不可压多松弛格子Boltzmann模型。与已有的多松弛模型相比,新模型能更好地克服可压缩效应,并且计算效率更高。与已有的单松弛模型相比,新模型具有更好的数值稳定性。新模型的提出为三维湍流撞击流的格子Boltzmann模拟提供了模型基础。
　　其次,从二维撞击流的流动不稳定性问题出发,本文采用常用的格子Boltzmann热模型模拟了非等温的撞击流,研究了有无浮力作用下撞击流的流场和温度场结构受流体动力学参数(理查森数、雷诺数和普朗特数)的影响。在浮力作用下,本文发现了一种新的流场和温度场结构,即稳定的偏斜结构。同时,本文还发现了一些新的非稳态的流场和温度场结构。这些发现加深了对撞击流的流动不稳定性的认识。
　　第三,基于上面撞击流的不稳定性的研究,本文还研究了入口速度分布(均匀速度和抛物线速度,实际中常见的两种速度曲线)对撞击流流动特性、温度分布特性以及混合特性的影响。研究中发现,随着雷诺数和喷嘴间距的增大,入口速度分布对上述特性的影响越来越大。以上发现为撞击流应用中操作参数的设定提供了借鉴。
　　第四,本文采用前面发展的不可压多松弛格子Boltzmann模型,并结合基于Smagorinsky涡粘性模型的大涡模拟方法,对三维湍流撞击流进行了数值模拟。研究了雷诺数以及喷嘴间距对撞击流速度矢量场结构、中心线上的速度分布和湍流统计量分布的影响。结果发现,即使在湍流流动中,撞击流的流场也会出现不对称的现象。其他的主要发现有,撞击流中心线上的速度和某些湍流统计量对雷诺数的变化不敏感,且湍流统计量在滞止点附近取值较大。上述研究加深了对湍流撞击流特性的认识,同时也证明了格子Boltzmann方法模拟湍流的能力。
　　总之,本文基于格子Boltzamann方法对撞击流的流动不稳定性进行了详细的数值研究,通过研究加深了对撞击流的认识,同时撞击流的工业应用也有了更多的数据参考,本文的工作还为今后更深入地研究撞击流奠定了坚实的基础。同时,本文的工作深化了格子Boltzamann方法在撞击流领域中的应用,拓宽了撞击流的研究方法。

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目录

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 撞击流的相关研究

1.3 格子Boltzmann方法

1.4 基于格子Boltzmann方法的湍流研究

1.5 研究内容

1.6 全文安排

2 两类新的三维不可压多松弛格子Boltzmann模型

2.1 引言

2.2 常见的单松弛模型

2.3 已有的多松弛模型

2.4 新的不可压多松弛模型

2.5 数值模拟和分析

2.6 结论

3 浮力作用对流动不稳定性的影响

3.1 引言

3.2 问题描述

3.3 数值方法

3.4 数值结果和讨论

3.5 结论

4 入口速度分布对流动不稳定性的影响

4.1 引言

4.2 问题描述和数值方法

4.3 数值结果和讨论

4.4 结论

5 湍流效应对流动不稳定性的影响

5.1 引言

5.2 问题描述

5.3 数值方法

5.4 数值验证

5.5 数值结果和讨论

5.6 结论

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读学位期间参加的学术会议

附录3 攻读学位期间参与的科研项目