颗粒在流体中沉降特性的直接数值模拟研究

摘要

颗粒沉降是颗粒两相流中非常重要的一部分，它与现代工业的发展息息相关。本文采用格子Boltzmann-虚拟区域法方法对颗粒在流体中的沉降特性进行了研究。
　　首先，通过二维的数值模拟，对单个圆形颗粒和多个圆形颗粒在牛顿流体中沉降特性进行了研究。从动力学着手，本文研究了壁面、雷诺数和颗粒密度对单个圆形颗粒在牛顿流体的沉降速度、受力系数的影响，并且与圆柱绕流做了对比研究，文中定量地分析了两者数据，发现颗粒沉降与圆柱绕流的阻力系数差别不明显，但是横向力系数和St系数的差别就比较大，尤其是横向力系数，随着雷诺数的增加，两者横向力系数差值逐渐加大。对于多个圆形颗粒，文中通过改变颗粒数量和初始排列状态，研究颗粒群出现的不同沉降形态。此外，研究发现雷诺数是其中的关键因素。
　　其次，采用幂律流体模型，对剪切变稀流体中单颗粒沉降和双颗粒沉降进行了模拟研究，考察了在二维情况下流体的幂律指数与雷诺数对颗粒沉降的影响，并与牛顿流体中的结论进行了比较，发现雷诺数相同情况下，幂律流体的指数越小（n≤1）颗粒的横向力系数越大。阻力系数随雷诺数增加而减小，并且在发生漩涡脱落的临界雷诺数附近出现最小值。另外，文中还定量地分析出St系数和雷诺数的关系。
　　最后，通过三维的数值模拟方法，对圆球颗粒在牛顿流体中的沉降特性做了研究。文中比较了本次数值模拟与文献中的结果，验证了数值方法的有效性。在模拟串列排布的颗粒沉降中，本文研究了圆球颗粒的初始间距和雷诺数对沉降形态的影响，并且将圆球和圆形颗粒的沉降形态做了比较，发现圆球颗粒会出现与圆形颗粒相似的三种沉降模式。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 颗粒沉降研究现状与发展趋势

1.3 课题研究目的及主要工作内容

1.4 本章小结

2 数值方法

2.1 格子Boltzmann方法

2.2 虚拟区域方法

2.3 双椭圆柱的绕流特性

2.4 本章小结

3 牛顿流体中的圆形颗粒沉降特性

3.1 单颗粒的沉降特性

3.2 多颗粒的沉降特性

3.3 本章小结

4. 剪切变稀流体中的圆形颗粒沉降特性

4.1 单颗粒的沉降特性

4.2 双颗粒的沉降特性

4.3 本章小结

5. 圆球颗粒在流体中的沉降特性

5.1 验证

5.2 3个圆球的沉降特性

5.3 4个圆球的沉降特性

5.4 本章小结

6 总结和展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

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