扰动条件下气固两相圆柱绕流的直接数值模拟
本文使用直接数值模拟方法研究了三维气固两相圆柱绕流，迄今为止，使用直接数值模拟方法对气固两相圆柱绕流进行三维的模拟所得到的研究成果还不是很丰富。本文在较为系统的回顾和总结近期圆柱绕流以及气固两相圆柱绕流研究现状的基础上，通过三维的直接数值模拟，对流场入口条件对气固两相圆柱绕流运动的影响进行了开创性的研究，取得了一些具有重要理论意义和实际应用价值的创新性成果。
本文的求解对象是具有不可压缩性质的流场控制方程组，并且采用单相耦合的方法模拟各种典型雷诺数和典型颗粒大小情况下流场流动和颗粒场扩散行为受到流场入口条件的影响。DNS的数值方法基于高精度紧致差分方法。本文采用Lele在1992年的综述中提出的4阶精度的紧致差分格式离散空间导数，同时时间步进采用Jameson提出的低存储量要求的4阶Runge-Kutta格式。边界条件的设置采用Orlanski的无反射边界条件来捕捉瞬态流动中的Karman涡街。数值结果揭示出的和Williamson经典试验相一致的流场流动的A，B模式的出现证明了这种方法是成功的。
本文首先用DNS方法模拟了均匀来流速度进口条件和非均匀来流速度进口条件下三维气固两相圆柱绕流的流场结构和颗粒在流场中的扩散行为。对于两种来流条件，都对两种雷诺数200、180和两种颗粒大小斯托克斯数为1、斯托克斯数为0.01，组合四种情况进行了计算。计算结果得到了圆柱绕流向三维转捩的过程，成功的捕捉到了Karman涡街，观察到了A，B模式的出现。将非均匀来流速度进口条件下计算所得到的结果和均匀来流速度进口条件下的计算结果进行比较可以看到：在流场流动中，非均匀来流加速了流场向三维的转捩，而且在展向上的涡卷起的强度更大。在颗粒的扩散上，非均匀来流对于颗粒在y坐标方向上的扩散的影响并不大，但是对于颗粒在z坐标方向上的扩散却是有十分巨大的区别，非均匀来流大大的促进了颗粒在z坐标方向上的扩散，无论是在雷诺数为200，180，颗粒斯托克斯数为0.01，1的各种情况下。
本文的第二部分转而考察颗粒进口速度分布的不同对于颗粒在圆柱尾流中扩散行为的影响，其中采用了颗粒速度大小和速度方向均符合正态分布来代表非均匀颗粒进口速度分布。同第一部分相同，对于两种颗粒速度进口分布都针对两种雷诺数200、180和两种颗粒斯托克斯数1、0.01进行了模拟计算。计算的结果表明：颗粒进口速度分布的不同对于颗粒在圆柱尾流中扩散水平的影响很大程度上取决于颗粒惯性和流场对颗粒大小作用的量级是否可以比较，大颗粒的惯性在流向上和展向上都可以与流场作用相比，所以非均匀颗粒速度进口分布对于颗粒扩散水平的促进作用表现的非常明显。而小颗粒在雷诺数为180，展向上的涡强度十分小的情况下，颗粒的扩散水平有所区别，非均匀分布显著促进了颗粒在z方向上的扩散水平，其余的情况下，小颗粒的颗粒速度进口条件的变化对颗粒在圆柱尾流中的扩散水平并没有显著的影响。
数值模拟;圆柱绕流;流场入口;气固两相;尾流
浙江大学
硕士
工程热物理
樊建人
2006
中文
O359.2
62
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）