热对流条件下悬浮颗粒运动的格子Boltzmann方法模拟

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悬浮颗粒的运动是流固两相流中的一类典型问题,出现在许多自然现象和工业过程中,例如自然界中的河流泥沙沉积、日益严重的沙尘暴、工业中污水中的固体杂质处理、流化床炉中煤粉颗粒的运动以及烟气除尘系统等,因此研究颗粒物在流体中的运动规律和作用机理是至关重要的。随着计算机技术的飞速发展,数值模拟方法已经成为研究悬浮颗粒运动问题的重要手段,而传统的计算流体力学方法存在着计算量大和边界处理复杂的缺陷;同时实验方法中常用的激光粒子速度场仪PIV(particle imagevelocimetry),粒子动态分析仪PDA(particle dynamics analyzer)由于无法获得颗粒间受力情况而存在很大的局限性。作为一种新型的计算流体动力学技术,格子Boltzmann方法(LBM)有着计算量小、边界处理简单等优点,已经成为研究流固两相流的一种重要工具。在使用LBM研究悬浮颗粒运动的问题中,流固两相的边界耦合是至关重要的,不同的处理方法的精度和计算量也不同。首先,我们使用三种不同的边界处理方法(曲边非平衡态外推方法、Ladd的方法和亚网格方法)来模拟单个圆形颗粒的沉降、单个椭圆颗粒的沉降以及双颗粒的沉降,比较了三种方法的优缺点,结果表明:广泛使用的Ladd方法得出的结果更精确并且计算量较小。其次,在研究等温条件下颗粒沉降的基础上,我们着重研究了单个圆颗粒、单个椭圆颗粒、中性浮力颗粒、两等温颗粒以及两不同温度的颗粒在热对流条件下的运动规律。单个圆颗粒的模拟结果验证了计算方法的准确性;椭圆颗粒的模拟结果表明:椭圆颗粒在热对流条件下随格拉晓夫数Gr的变化呈现出不同的沉降轨迹;中性浮力颗粒的模拟结果表明:在较小的Gr数下置于管道不同位置的颗粒最终的平衡位置不同,在较大的Gr数下颗粒的最终平衡位置相同,并给了颗粒靠近管壁的极限位置;双颗粒的模拟结果表明:两等温颗粒的沉降方式与雷诺数Re以及Gr密切相关,而两不同温度的颗粒与两等温颗粒的沉降规律有显著不同,无论初始位置如何,冷颗粒最终总位于热颗粒下方运动,Re较大时发生连续的拖曳、接触现象,而Re较小时,冷颗粒会以较大的沉降速度远离热颗粒。
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