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颗粒两相流动大量存在于自然界和工业设备中,对其流动现象、机理和过程的研究具有重要意义。本文在前人的基础上开发并完善了模拟程序,应用任意拉格朗日-欧拉(ALE)法对考虑热对流的固液两相流流场中颗粒的沉降运动进行真正直接数值模拟。在牛顿流体中通过积分粘性应力和压力获得颗粒的受力跟踪颗粒运动,使用有限元方法数值求解流场的N-S方程和能量方程,避免了对颗粒受力采用的许多假设。分别模拟颗粒在等温流体、热流体和冷流体中的沉降过程,研究考虑热对流的颗粒沉降运动规律。
数值模拟的结果表明:热对流和通道壁使颗粒的沉降运动方式和相互作用发生变化。随着沉降雷诺数的增加,等温单颗粒的沉降经历了稳定沉降、阻尼运动、周期性摆动,不规则摆动等过程:与等温颗粒相比,热对流引起了非等温颗粒沉降的发展进程和摆动幅度、沉降雷诺数的变化,且沉降雷诺数较低时,热对流使颗粒产生水平方向偏移。冷颗粒在热流体中沉降,热对流引起流体流动的方向与颗粒沉降方向相同,尾部形成涡脱落,颗粒沉降发展进程加快,摆动幅度和沉降雷诺数增大,双冷颗粒沉降时,出现了周期性的拖曳、亲和、翻滚(DKT)现象,两颗粒趋于分散;热颗粒在冷流体中沉降,热对流引起流体流动的方向与颗粒沉降方向相反,尾部形成羽流,颗粒沉降发展进程减慢,摆动幅度和沉降雷诺数减小,双热颗粒沉降时,未出现拖曳、亲和、翻滚现象,两颗粒趋于聚集。在相同传热条件下,颗粒和流体的密度比越大,热对流对颗粒的影响作用越小。通道壁对沉降中颗粒的摆动和沉降雷诺数有抑制作用,通道宽度越小,抑制作用越强。