带颗粒的两相槽道湍流的大涡模拟研究

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该文数值研究了带颗粒的竖直槽道两相湍流问题.文中采用大涡模拟(LES)方法对携带相流场进行数值模拟,同时基于Lagrange粒子轨迹追踪方法来获得扩散相粒子的运动轨迹和速度,研究探讨了粒子在流场中的统计行为以及在考虑双向耦合(two-way coupling)时颗粒对流场特性的影响.该文首先忽略扩散相粒子对于携带相流场的影响,即采用单向耦合(one-waycoupling)的方法,对在竖直槽道间充分发展的两相湍流进行了数值模拟,并验证了计算程序的可靠性.计算结果表明,粒子在流场中的行为取决于流场的特性和粒子的物理性质.通常,对于Stokes数较小的粒子,它的流场跟随性较好.而对于Stokes数较大的粒子,跟随性较差,这时粒子在流场中的统计特性,比如流向平均速度、脉动量等,都存在自身的规律,并与携带相流场有明显的区别,特别是大Stokes数粒子在流场中的分布表现出明显的随机分布趋势.该文进一步研究了存在流向振荡压力驱动的竖直槽道振荡两相湍流问题,计算分析了扩散相粒子随振荡流场的演化过程,并讨论了扩散相粒子在流场中的瞬时分布与流场脉动量分布之间的关系.扩散相粒子在振荡槽道湍流中的统计量,如流向平均速度、脉动量、粒子在流场中的分布等,将出现相位迟后现象,而粒子的这种相位迟后效应不仅依赖于流场的振荡参数,也依赖于粒子的Stokes数.由于小Stokes数粒子能够很好的跟随流场振荡,其各种物理量的相位迟后明显,与振荡流场的迟后效应类似;对于大Stokes数粒子,由于它跟随流场振荡的能力较弱,其各种物理量的相位迟后效应不够明显.同时,计算结果还表明,粒子在流场中分布密度与流场在当时当地的脉动量存在一定关系.一般而言,粒子趋向集中于流场脉动量较小的区域,而在流场脉动量较大的区域分布密度则较小.最后,该文还研究了粒子与流动的双向耦合问题,分别考察了Reτ=180和Reτ=640两种情况下槽道两相湍流的流动情况.在携带相控制方程中引入粒子对流场作用力的附加项,即所谓粒子影响项,来考察扩散相粒子对流场的影响.同时,为了用大涡模拟的方法来获得携带相流场解,对通常采用的动力学SGS模型进行了修改,增加了"扩散相影响因子",以此来反应粒子影响项的存在对SGS模型的影响.为了验证该文关于双向耦合问题LES计算的可靠性,文中还基于Re<,τ>=180的算例进行了直接数值模拟的比较验证.计算结果表明,扩散项粒子对流场的影响主要体现为流场流向平均速度和流场脉动量等湍流特征量的变化.一般而言,粒子使得流场的这些量在近壁面区域出现增大的趋势,而在远壁面区域出现减小的趋势.
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