室内超细悬浮颗粒模型及算法研究

摘要

在两相流中湍流中的大尺度结构对颗粒的扩散起着重要的作用。由于室内悬浮颗粒的体积分数很小，约为10<'10>量级，粒径一般在0.00μm到30μm之内。本文旨在这种特定的条件下，采用数值研究方法，寻求气流运动和颗粒分布之间的关系。 本文的主要工作是利用目前先进的非线性V2F湍流模型分别用欧拉法与拉格朗日随机轨道模型方法研究了室内超细悬浮颗粒，建立了较为完备的基于非线性V2F湍流模型的超细颗粒模型及模拟新算法。 第1章主要是从悬浮颗粒的研究方法、气粒多相流模型、数值模拟求解方法、颗粒在壁面上的沉降模型及气溶胶数值模拟研究方法等五个方面对前人所作工作进行了综述。总结了现有模型或处理方法在应用到室内超细颗粒数值模拟方面的局限性，提出了课题拟研究的内容。 第2章的主要内容是选择适合气粒多相流数值模拟的气相湍流模型。从众多的湍流模型中，选择了方程数量适中，又能较充分捕捉室内气流流动特征和壁面附近的各向异性特点的非线性V2F湍流模型。避免了颇具争议的常规壁面函数方法以及精度虽高但多达14个人为选取的经验常数的雷诺应力模型。通过对国际能源组织公布的标准算例的计算和其它研究者的实验和数值模拟的结果比较，发现无论在贴附射流区域、回流区、还是低流速流态时V2F模型模拟的结果与实际测试吻合良好，在很多方面都优于其它湍流模型。说明V2F非线性湍流模型更能适合室内气流的数值模拟计算。 第3章在分析影响室内超细颗粒运动主要因素的基础上，建立了超细悬浮颗粒的数学模型。针对目前研究悬浮颗粒的时候，往往假设悬浮颗粒的涡扩散系数与流体的涡扩散系数相等或乘以某个系数以示区别的做法，论证了在主流区域，由于颗粒的跟随性很好与湍流的各向异性可忽略的情况下，该做法是成立的。但是在壁面附近由于各向异性的影响(尤其是在粘性子层内)，颗粒的涡扩散系数是大于流体的涡扩散系数的，因此本文采用了考虑了壁面法向脉动速度和颗粒松弛时间两个因素的计算式，将主流区的颗粒涡扩散系数与近壁区的颗粒涡扩散系数分开处理，在此基础上，提出了颗粒涡扩散系数计算方法。该方法简化了计算过程，同时兼顾了主流区和近壁区的流动特点。 本章中同时在考虑颗粒壁面沉降与再悬浮的基础上，认为颗粒在壁面附近形成畸变现象(局部堆积)是由于壁面附近同时存在相吸与相斥因子共同作用的结果，而不仅仅是马格努斯力和颗粒碰撞的结果。针对壁面形成畸变的原因，给出了一个半经验的分析方法，并用拉格朗日法计算的结果对其进行了验证。此外，为了更准确地模拟出颗粒的流动规律，对常用的湿度模拟控制方程组进行了修正。在水蒸汽能量方程中增加了扩散能量源项和反映蒸汽在颗粒表面进行凝结，发生相变时的潜热转移量，使之更能准确模拟出温度场，从而间接地准确计算颗粒的热泳迁移速度和颗粒在固体表面的沉积量。 第4主要是在前几章的理论基础上，采用数值模拟方法计算了多种气流组织条件下的室内空气流动及超细悬浮颗粒的分布。主要包括上送风，两侧回风、全顶棚送风两侧回风、上侧送风，同侧上回风、上侧送风，异侧下回风四种常见气流组织形式下的悬浮颗粒分布及其特征。通过与小滑移模型、商业计算流体软件Fluent提供的混合物模型(Mixture)、欧拉模型(Eluer)以及拉格朗日随机轨道模型研究模拟结果与实验值(包括他人的实验数据和本人课题组的数据)对本文模型模拟的结果进行了验证。数值模拟结果比较准确地再现了流场的运动特征、温度分布特征以及颗粒在流场中的运动特性，对气流组织的设计提供了参考依据。通过对超细颗粒物在等温及近壁面附近受热泳力作用下的运动特征进行的研究，考察了不同温差下颗粒所受到的热泳力对颗粒附集于壁面的影响，得出了温度场的变化对超细悬浮颗粒的分布影响规律。 第5章提出了新的颗粒沉降计算公式。新的颗粒沉降计算公式认为超细颗粒在壁面沉降的主要机理是梯度扩散。本章提出的沉降计算公式是建立在梯度扩散模型的基础之上，同时结合了自由滑翔模型和湍泳模型两种模型。该方法采纳了自由滑翔模型中自由滑翔距离这一观点，但是舍弃了Friedlander等人使用的初始滑翔速度这一概念。在粘性子层区域内，颗粒的涡扩散系数使用了湍泳模型的颗粒涡扩散计算公式，但是利用了DNS模拟得出的壁面法向脉动速度分布拟合式，代替了求解复杂的颗粒动量方程。 第6章主要探讨随机轨道模型算法方面的一些基础问题。在超细颗粒拉格朗日随机轨道模型模拟方法中，本文结合室内超细颗粒的特点，给出了一些常用数值积分方法的时间步长选取判据，以及边界条件的处理方面提出了计算颗粒物与壁面发生碰撞时是否发生反弹的临界速度计算式。此外还应用该方法对超细颗粒的受力进行了计算。分析比较了颗粒在运动过程中Magnuss力与Saffman力等力的数量级及其取舍问题。 第7章对全文作了总结和未来在该方面要做的研究作了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章概述

1.1背景与意义

1.2气粒多相流数值研究方法综述

1.2.1颗粒的直接模拟(DNS)

1.2.2混沌动力学研究

1.2.3离散涡模拟

1.2.4大涡模拟

1.2.5统观模拟

1.3多相流模型

1.4求解方法

1.5颗粒沉降模型

1.6气溶胶数值模拟研究方法综述

1.7现有模型或处理方法的局限性

1.8本文要作的工作

第2章气相湍流模型的实效性

2.1主要研究内容

2.2湍流模式

2.2.1湍流模式概述

2.2.2室内气流的主要特征

2.2.3常用湍流模式在室内气流模拟中的局限性

2.2.4 V2F模型

2.3 V2F模型的应用及与其它湍流模型计算结果比较

2.3.1 Case B1计算结果

2.3.2 Case B2计算结果

2.3.3 Case B3计算结果

2.4本章结论

第3章超细颗粒模型

3.1本章主要内容

3.2影响室内超细颗粒的主要因素

3.3颗粒模型

3.3.1颗粒输运方程

3.3.2颗粒输运通量

3.3.3颗粒源项

3.4颗粒边界条件

3.4.1颗粒边界层的颗粒分布畸变现象

3.4.2壁面附近颗粒分布畸变现象的合理解释

3.4.3壁面附近颗粒分布函数的导出

3.5颗粒扩散系数

3.6湿度求解模型

3.7计算步骤

3.8本章小结

第4章超细悬浮颗粒模型应用及验证

4.1研究要点

4.2模拟模型与物理过程描述

4.3离散方法、算法及边界条件说明

4.4结果分析与讨论

4.4本章小结

第5章颗粒沉降

5.1颗粒沉降模型

5.2颗粒沉降分区

5.3颗粒沉降经验公式

5.4沉降模型

5.4.1沉降模型1

5.4.2沉降模型2

5.5颗粒沉降模型的应用

5.6颗粒沉降实验

5.6.1主要仪器和材料

5.6.2实验结果及分析

5.7本章小结

第6章超细颗粒随机轨道模型模拟研究

6.1文献综述

6.2随机轨道模型

6.3颗粒轨道模型中颗粒跟踪与定位算法

6.3.1 Zhou-Leschziner算法

6.3.2 Chen Pereira算法

6.3.3 R.Chorda算法

6.4颗粒随机轨道模型积分方法比较研究

6.4.1均匀速度场中颗粒运动方程的精确解

6.4.2积分时间步长

6.4.3常用积分方法的误差

6.4.4气流脉动频率与积分误差的关系

6.5边界条件的处理

6.6颗粒相与气相的耦合

6.7计算实例与结果

6.8讨论

6.9本章小结

结论与展望

参考文献

附录

致谢