气固两相自由剪切流动的直接数值模拟和实验研究

摘要

本学位论文集中开展对气固两相自由剪切流动进行直接数值模拟的研究。具体涉及到对三维气固两相平面混合层、二维气固两相平面射流和三维气固两相平面射流的研究。着重考察自由剪切流动中气相流体拟序结构的演化规律、不同Stokes数颗粒的扩散特性和扩散机理、以及颗粒对气相流动特性的影响所造成的湍流变动。　　在对三维气固两相平面混合层的研究中，假定流动为时间发展模式的、不可压缩的流动，颗粒初始时刻仅布置在流场上半侧的高速区。流场控制方程的求解采用拟谱算法，颗粒的跟踪分别采用单向、双向耦合的拉格朗日方法。　　在对二维气固两相平面射流的模拟中，假定流动是弱可压缩、空间发展的。流体控制方程组的空间离散采用四阶精度的紧致有限差分格式，时间积分采用高效的分步算法，同时对边界条件也进行了细致的处理。　　在进一步对三维平面射流中拟序结构和颗粒扩散的直接数值模拟研究中，假定流动是不可压缩的，且具有中等雷诺数Re=5000。其中气相控制方程组的离散采用交错网格的有限容积方法，求解采用分步投影算法，时间积分采用低存储的、三阶精度的Runge-Kutta积分格式。颗粒的跟踪采用单向耦合的拉格朗日轨道模型。　　同时，在对本论文上述三部分的研究过程中，都分别建立了相应的直接数值模拟数据库，并把直接数值模拟结果跟前人的实验数据进行了大量的对比验证，保证了各部分数值算法的有效性和数值结果的可靠性。　　最后，为了给上述各部分的直接数值模拟结果提供进一步的验证，本论文还采用PIV测试技术对流动雷诺数Re=6200的气固两相圆射流进行了初步的实验研究。

目录

文摘

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第一章绪论和文献综述

摘要

1.1引言

1.2湍流研究和拟序结构

1.3颗粒扩散和湍流变动

1.4气固两相流动的研究方法

1.4.1气相流动的数值模拟模型

1.4.2颗粒相的数值模拟模型

1.5气固两相流数值模拟的研究进展

1.6本论文的研究内容

参考文献

第二章气固两相流动的直接数值模拟

摘要

2.1单相湍流的直接数值模拟

2.1.1湍流直接数值模拟的技术特点

2.1.2湍流直接数值模拟的数学方法

2.1.3湍流直接数值模拟的研究进展

2.2气固两相流动的直接数值模拟

2.2.1气固两相流动的直接数值模拟方法

2.2.2气固两相流动直接数值模拟的研究进展

参考文献

第三章三维平面混合层中固体颗粒与拟序结构相互作用的直接数值模拟

摘要

3.1引言

3.2数学描述

3.2.1流体控制方程

3.2.2颗粒运动方程

3.2.3颗粒一流体的双向耦合模型

3.3网格尺度和初始条件

3.4数值算法

3.5单向耦合的DNS结果

3.5.1流场拟序结构的演化

3.5.2颗粒的浓度分布和半场扩散特性

3.5.3展向大涡结构对颗粒扩散的影响

3.5.4流向大涡结构对颗粒扩散的影响

3.6向耦合的DNS结果

3.6.1颗粒对流场大涡结构的影响

3.6.2颗粒对流场能量的影响

3.6.3颗粒对流体厚度的影响

3.6.4颗粒对雷诺应力的影响

3.6.5颗粒对湍流强度的影响

3.6.6向耦合效应对颗粒扩散的影响

3.7小结

参考文献

第四章二维平面射流中固体颗粒与拟序结构相互作用的直接数值模拟

摘要

4.1引言

4.2数学描述

4.2.1流动构造和边界条件

4.2.2流体控制方程

4.2.3颗粒运动方程

4.2.4颗粒一流体的双向耦合模型

4.2.5气固两相流动的初始条件

4.3数值算法

4.3.1计算网格

4.3.2空间离散格式

4.3.3时间步长和积分格式

3.4单向耦合的DNS结果

4.4.1流场拟序结构的演化

4.4.2流场变量的分布

4.4.3流场的统计结果

4.4.4拟序结构作用下颗粒的扩散分布

4.4.5颗粒扩散的统计特性

4.4.6颗粒的扩散机理

4.5向耦合的DNS结果

4.5.1颗粒对射流拟序结构的影响

4.5.2颗粒对射流平均速度的影响

4.5.3颗粒对湍流强度和雷诺应力的影响

4.5.4颗粒对剪切层厚度和湍动能的影响

4.5.5向耦合效应对颗粒扩散的影响

4.6 小结

参考文献

第五章三维射流中拟序结构与颗粒扩散的直接数值模拟和实验研究

摘要

5.1引言

5.2 DNS的数学描述

5.2.1流动结构

5.2.2流体控制方程

5.2.3颗粒控制方程

5.2.4气固两相流动的初始条件和边界条件

5.3 DNS的数值方法

5.3.1计算网格

5.3.2有限容积方法

5.3.3分步投影算法

5.3.4时间步长和积分格式

5.4流场的DNS结果

5.4.1展向涡结构的三维演化

5.4.2流向涡结构的三维演化

5.4.3横向涡结构的三维演化

5.4.4流向涡和展向涡的排列

5.4.5横向涡和展向涡的排列

5.4.6展向涡、流向涡和横向涡的综合排列

5.4.7流场统计结果及与实验对比

5.5颗粒的扩散结果

5.5.1颗粒的横向扩散

5.5.2颗粒的展向扩散

5.5.3颗粒扩散的统计特性

5.6气固两相圆射流的PIV实验结果

5.6.1 PIV实验系统简介

5.6.2单相圆射流拟序结构的演化

5.6.3颗粒在圆射流中的扩散

5.7小结

参考文献

第六章全文总结及工作展望

摘要

6.1全文总结

6.2气固双向耦合新模型的探讨

6.3对未来工作的展望

参考文献

全文重要符号说明

作者攻读博士学位期间发表的论文

致谢