基于并行虚拟区域方法的颗粒悬浮流直接数值模拟研究

摘要

颗粒悬浮流动广泛存在于自然界和工农业生产当中，深入研究其流动机理，一方面可以帮助人们增进对自然界的认识，同时也可以为相关工农业生产提供理论指导。对于颗粒悬浮流动的研究，一直是流体力学中的一个研究热点，但是由于两相流动的复杂性，至今对其中颗粒和湍流的相互作用规律知之甚少。近年来发展起来的直接数值模拟方法原理上能够精确计算所有颗粒上的流体作用力，是研究颗粒和湍流相互作用机理的有力工具，也得到越来越多的研究者的关注。但是直接数值模拟的计算量非常大，传统的串行计算已经很难满足其需求。本论文研究目的是实现直接数值模拟方法之一的虚拟区域法的并行计算，并采用该并行方法揭示槽流和方管流中颗粒和湍流的部分相互作用机理。
　　对于虚拟区域方法的并行实现，本文基于固定的均匀网格，采用区域分解作为并行策略。分解后的流动子问题采用多重网格法迭代求解，颗粒子问题通过引入链表数据结构实现颗粒信息的数据交换，验证算例表明新的并行虚拟区域方法具有很高的并行效率。
　　对于槽道中的颗粒悬浮流动问题，本文首先研究了有限体积球形颗粒的惯性（密度）对湍流调制的影响。结果表明，在本文所研究的参数范围(ρ=1～1042)之内，随着颗粒密度的增加，流动的阻力先增加后减少。在大密度的条件下，流动的发展阶段可以观察到明显的减阻现象。同时，大密度的颗粒明显削弱了槽道中间区域的湍流强度以及大尺度的发夹涡。其次，本文研究了不同长宽比的椭球形颗粒对湍槽流的影响。结果表明，在本文所研究的参数范围之内，椭球形颗粒对湍流的影响与同体积的球形颗粒基本一致。尽管结果没有显示椭球形颗粒的减阻效应，但是流动阻力随颗粒长宽比增加而减少。
　　对于方管中的颗粒悬浮流动问题，本文首先研究了不同体积分数下中性悬浮颗粒对方管湍流的影响。结果表明，随着颗粒体积分数的增加，方管的平均二次流得到增强，且其中心位置向方管横截面中心靠近。通过对平均涡量方程的分析表明，颗粒增强了壁面附近的雷诺法向应力差，从而导致了平均二次流的增强。同时，颗粒减少了流体的流量以及湍动能。另外，在方管角落区域，可以观察到颗粒聚集的现象。这一现象可能与颗粒湍泳(turbophoresis)以及平均二次流相关。其次，本文还研究了颗粒沉降情况下方管湍流的变化。结果表明，在颗粒沉降方向上，平均二次流的对称性消失，最底层的涡由于受颗粒沉积层阻碍而削弱，之上第二和第四个涡得到增强并相连合并，导致形成沿方管截面中心线而下，沿两侧壁面而上的更大尺度环流。该环流较强影响了流向平均速度的分布，导致最大速度出现在下半管道。最后，颗粒沉积聚集在方管底部中间区域以及两边的角落。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 颗粒悬浮流研究综述

1．3 本论文的研究内容和创新点

2 并行虚拟区域方法

2．1 引言

2．2 虚拟区域法

2．3 颗粒碰撞模型

2．4 并行实现

2．5 效率分析

2．6 小结

3 颗粒悬浮湍槽流

3．1 引言

3．2 物理模型

3．3 算法验证

3．4 球形颗粒惯性影响的研究

3．5 椭球形颗粒几何特性影响的研究

3．6 小结

4 方管颗粒悬浮流的研究

4．1 引言

4．2 物理模型

4．3 算法验证

4．4 中性悬浮颗粒的影响

4．5 颗粒沉降的影响

4．6 小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间主要研究成果如下