湍流氣固兩相撞擊流多尺度特性及模型的數值研究.pdf

1、氣固兩相湍流撞擊流在工業(yè)中被廣泛應用，但人們對其流動特性的認識存在不足，目前的研究主要關注湍流撞擊流中宏觀流動特性，而對于撞擊流中的多尺度現(xiàn)象，比如氣相撞擊面結構，擬序結構以及顆粒運動行為關注較少。本文使用直接數值模擬（DNS）和大渦模擬（LES）的方法從撞擊面尺度，湍流渦團尺度，單顆粒尺度，顆粒團介觀尺度研究湍流撞擊流中氣粒兩相流動特性，擴展了對撞擊流基礎流動特性的認識。
　　首先，本文采用六階有限差分方法直接求解弱可壓縮等溫N

2、avier-Stokes方程，對中等雷諾數及以下（Re≤4100）的氣相撞擊流進行了直接數值模擬，驗證了層流撞擊流中的分叉失穩(wěn)現(xiàn)象，并研究了噴嘴出口擾動對于中等噴嘴間距比（L/d=12）撞擊流中撞擊面不穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)撞擊流中徑向射流相比軸向射流更易失穩(wěn)，兩側不對稱的擾動會導致撞擊面出現(xiàn)振蕩，在較高頻率的擾動激勵下，撞擊面會出現(xiàn)大幅度低頻準周期振蕩現(xiàn)象。對中等雷諾數（Re=4100）湍流撞擊流的DNS結果使用本征正交分解方法對撞擊面形

3、態(tài)進行分解，發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的撞擊面主要表現(xiàn)為軸向振蕩和徑向偏斜兩種形態(tài)，其中軸向振蕩產生了撞擊區(qū)中高強度的湍流。本文還使用有限李雅普諾夫指數方法提取撞擊流中的拉格朗日撞擊面，從流體微團的視角闡釋了撞擊面不穩(wěn)定運動的過程。
　　然后，通過向直接數值模擬方法中增加高精度過濾器以及亞網格應力模型，發(fā)展了基于高階有限差分的大渦模擬方法，并模擬了中等間距比（L/d=12）和大間距比（L/d=30）的高雷諾數（Re=13500）湍流撞擊流，對比了

4、兩者的瞬態(tài)擬序結構以及湍流渦團尺度等，發(fā)現(xiàn)大間距比撞擊流由于軸向射流充分發(fā)展，流動結構受撞擊的破碎影響較小，流動結構的特征尺度以及撞擊面振蕩幅值和周期均大于中等間距比撞擊流。在對氣相湍流撞擊流進行大渦模擬的基礎上，采用拉格朗日點源方法跟蹤顆粒軌跡，并考慮顆粒對流體的反向作用力，通過確定性軌道檢測方法與硬球模型處理顆粒間碰撞作用，研究了湍流撞擊流中不同慣性（8

5、對于單顆粒運動而言，顆粒慣性是影響顆粒滲透進反向射流最大距離的主要因素。從雙側噴嘴噴入的顆粒在撞擊區(qū)中的穿插運動導致較小的顆粒平均速度和較大的顆粒脈動速度。小慣性顆粒（St=8）受氣相流動結構的影響較大，顆粒濃度分布具有間歇性。顆粒體積分數越大，顆粒碰撞作用越強烈。顆粒碰撞抑制了顆粒的滲透運動，導致撞擊區(qū)的顆粒濃度升高，顆粒相速度梯度變大，強烈的顆粒碰撞使得撞擊區(qū)內的顆粒分布趨于各向同性，將部分軸向脈動速度轉化為徑向脈動速度。不穩(wěn)定的撞

6、擊面會導致顆粒相出現(xiàn)類似氣相撞擊面的振蕩運動，小慣性顆粒和強烈的顆粒碰撞會強化顆粒的振蕩。顆粒的存在會削弱氣相撞擊面振蕩幅值和振蕩周期，且削弱作用隨顆粒相載荷的增加而增加，在中等間距比下導致撞擊區(qū)湍動能下降，但在大噴嘴間距比下，由于顆粒相速度衰減比氣相慢，存在顆粒相向氣相的動量傳遞，導致氣相在撞擊區(qū)的速度梯度和湍動能的增強。
　　最后，本文根據顆粒的拉格朗日數據得到了撞擊流中顆粒團歐拉場介觀速度和隨機不相關應力，發(fā)現(xiàn)對于氣固兩相撞