稠密气固两相湍流流动的实验和数值模拟

基于气固两相流动模型计算循环流化床内稠密气固两相流湍流动,颗粒动理学方法模拟颗粒相湍动能,ＳＧＳ模型模拟气相湍流,采用γ－射线密度计和非等速取样管测量局部颗粒浓度和流率,利用ＦＦＴ方法计算颗粒浓度功率谱密度。模拟计算得到上升管内气相和固相速度和浓度分布等。同时数值模拟与Ｔｓｕｊｉ等和Ｋｎｏｗｌｔｏｎ等试验结果进行了比较,结果表明数值模拟计算与实验结果相吻合。     

气固两相混合层固粒分布特性的分数维方法描述

本文对气固两相混合层中固粒的运动进行了数值模拟，得到了不同Ｓｔ数下，涡卷起和配对过程中固粒的分布特性，计算了不同时刻固粒分布的相关维数，说明分数维是一个可用来定量描述固粒分布均匀程度的重要参数，Ｓｔ数为１０的数量级时，对应最小的相关维数，固粒分布最不均匀，研究结果对控制固粒的均匀程度具有指导意义。     

空间模式下可压缩气固两相混合层流动特性研究

采用Euler-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对空间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流场进行了研究。气相流场采用具有空间三阶精度的WNND格式进行数值模拟,固相方程采用单边三点差分离散。在考虑流场对固粒作用的同时,也计及了固粒对流场的反作用。在对流马赫数为0.5时,研究了颗粒相对密度、颗粒尺寸、Stokes数等因素对粒子运动和流场结构的影响。研究结果表明:在可压缩空间模式混合层中,固粒的Stokes数仍然是主要影响参数之一;相同Stokes数下不同密度的固粒对流场的干扰不同,轻固粒对流场的干扰明显要小。     

气固两相边界层中固粒与拟序结构相互作用的研究

本文对气固两相边界层中固体颗粒与拟序结构的相互作用进行了研究，建立了基于速度修正的双向耦合模型，提出了计算固粒对流场反作用的新方法以及大大减少计算量的快速涡方法，并据此得到了边界气固两相之间的相互作用结果。     

二维混合层拟序结构的直接数值模拟

本文是在文[1]的基础上,引用Cain等人(1981)提出的映射函数将无穷远的边界变换到有限距离处,用伪谱方法对N-S方程组进行直接数值模拟,研究时间发展的二维混合层的不稳定性,再现了大涡的卷起,涡对的合并与撕裂以及三个涡、四个涡之间的相互作用过程,并将过程进行了动态显示。     

二维混合层拟序结构的直接数值模拟

本文是在文[1]的基础上,引用Cain等人(1981)提出的映射函数将无穷远的边界变换到有限距离处,用伪谱方法对N-S方程组进行直接数值模拟,研究时间发展的二维混合层的不稳定性,再现了大涡的卷起,涡对的合并与撕裂以及三个涡、四个涡之间的相互作用过程,并将过程进行了动态显示。     

可压缩气固混合层中离散相与连续相的相互作用研究

尽管已有许多文献采用数值模拟方法研究两相流问题,但主要是集中不可压流动方面.本文采用Eul-er-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对时间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流动进行了研究.气相流场采用非定常全Navier-Stokes方程描述,并应用具有空间三阶精度的WNND(Weighted Non-Oscillatory, Contai-ning No Free Parameters and Dissipative)格式进行数值高散.固相方程采用二阶单边三点差分离散.在考虑流场对固粒作用的同时,也计及颗粒对流场的反作用.主要研究混合层大尺度涡对颗粒扩散特性的影响及颗粒对流场结构的影响问题.在对流马赫数为0.5时,研究不同Stokes数颗粒在连续流场中的扩散特性,而在对流马赫数为0.8时研究了不同Stokes数颗粒对流场小激波结构的影响.     

次谐波对混合层中拟序涡合并过程影响的数值研究

本文用拟谱方法对混合层二涡、三涡的合并规律进行了数值研究,分析了基波和交谐波之间相位差对涡合并过程的影响,并对此进行了解释。计算结果表明：二涡合并有配地和撕裂两种形式,且涡的完全通过撕裂合并的现象仅在相位差为π/2时出现;三涡合并有三种形式。通过计算可见,通过施加多级次谐波并改变它们之间的相位差可以主动控制拟序涡的发展和演变。     

旋转直管内气固或液固两相流动浓度分布

本文针对旋转直管内气固或液固两相流动，建立了经过适当简经处理的颗粒无量纲运动方程，得到了稳定状态下直管内颗粒的浓度分布公式，从而为气固两相流风机或液固两相流泵的颗粒浓度分布研究打下了基础。     

采用PTV技术研究循环流化床内气固两相流动

采用PTV技术对循环流化床顶部颗粒稀疏流动区域进行了测量，其中采用先进的高速摄像技术获取流动的连续图像，并采用目前有望在气固两相流动测量中发挥较大作用的四种PTV算法：BICC法、VGT法、SPRING法和4-FRAME法，对所获取的图像进行颗粒配对处理，从而得到流场中运动颗粒的速度信息。所得到的结论为：本文所采用的PTV算法在图像处理中都产生少量的伪矢量，通过采取简单的伪矢量识别算法就可以剔除大部分伪矢量；本文实验条件下，测得循环流化床顶部区域内颗粒运动速度差别较小。本文工作为进一步详细实验测量研究奠定了理论与技术基础。     

混合层中粒子扩散的实验研究

本文应用流动显示和LDA测量,对混合层中粒子的扩散问题进行了实验研究。结果表明：粒子的扩散强烈地依赖于St数,具有较小St的粒子的扩散近似地与流体示踪粒子相同,随着St的增大,扩散角度增大,也就是说粒子扩散加快,并且随着粒子惯性的增大,它对湍流脉动的响应将会减弱。     

On the Effect of Vortex Grid Density in the Vortex-in-cell Simulation of Mixing Layers

The two-dimensional vortex-in-cell method is used in the simulation of a spatially growing mixing layer at a high Reynolds number. Criteria, showing that the vortex grid density plays a role in obtaining a converged solution, are presented. Numerical experiments are conducted to test the criteria by varying the number of vortices and the grid sizes. The effects on the momentum thickness and on the peak values of the root-mean-square velocity fluctuations, and negative cross-stream correlation are discussed in terms of the vortex grid density.     

混合层流动拟序结构的大涡模拟

采用大涡模拟方法对空间发展的二维平面混合层进行了数值模拟 ,动量方程采用分步投影法求解 ,亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟 ,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解 ,同时求解了标志物输运方程以实现数值流场显示。模拟结果给出了混合层流动的瞬态发展过程以及流动中拟序结构的发展演变过程 ,成功地模拟了混合层发展中的各种瞬态细节过程 ,如涡的卷起、增长 ,涡与涡之间的配对、合并过程 ,以及大涡破碎为小涡的级联过程 ,为各种以混合层流动为原型流动的射流、尾流等工业流动的控制和优化提供了理论基础。     

Numerical Simulation of Particle Dispersion in a Spatially Developing Mixing Layer

Although there have been several numerical studies on particle dispersion in mixing layers, most of them have been conducted for temporally evolving mixing layers. In this study, numerical simulations of a spatially developing mixing layer are performed to investigate particle dispersion under various conditions. The full compressible Navier--Stokes equations are solved with a high-order compact finite difference scheme, along with high-order time-integration. Accurate non-reflecting boundary conditions for the fluid flow are used, and several methods for introducing particles into the computational domain are tested. The particles are traced using a Lagrangian approach assuming one-way coupling between the continuous and the dispersed phases. The study focuses on the roles of the large-scale vortex structures in particle dispersion at low, medium and high Stokes numbers, which highlights the important effects of interacting vortex structures in nearby regions in the spatially developing mixing layer. The effects of particles with randomly distributed sizes (or Stokes numbers) are also investigated. Both instantaneous flow fields and statistical quantities are analyzed, which reveals essential features of particle dispersion in spatially developing free shear flows, which are different from those observed in temporally developing flows. The inclusion of the gravity not only modifies the overall dispersion patterns, but also enhances stream-crossing by particles. Received 7 June 2001 and accepted 19 February 2002     

Decomposition of Mixing Layer Turbulence into Coherent Structures and Background Fluctuations

The eduction of coherent structures from cross-wire rake data in a fully turbulent incompressible mixing layer confirms the feasibility of a decomposition of a turbulent flow field, first suggested by Farge, as non-periodic non-equilibrium coherent structures interacting with a ‘thermalized’ broad-band turbulence. A simple wavelet coefficient decimation algorithm and orthogonalization yields non-periodic dominant flow structures and a background field that has a Gaussian distribution of velocities at the centerline. The coherent structures are classified in terms of their topology. The non-coherent background field has flat energy spectra and normal distribution of velocity components. Most background field statistics depend only weakly on the type of structure on which they are superposed. It may be possible to adapt existing subgrid scale models to this decomposition. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Mixing Layer on the Lee Side of an Obstacle

Twolayer miscible flow above an uneven bottom is considered. A mathematical model in the shallowwater approximation is constructed for the development of a turbulent layer between homogeneous layers of different density in a twolayer channel flow over a local obstacle. The influence of the mixing process on the formation of an initial segment of the steadystate densitystratified flow on the leeward side of the obstacle is studied.     

可压缩混合层中细光束畸变效应的实验研究

利用双曝光CCD相机成像技术,对小直径光束穿越可压缩混合层流场存在的大尺度结构特性及其引起的气动光学效应进行了实验研究。实验研究结果表明:在不同对流马赫数(Mc=0.17,0.45)下,可压缩混合层中的大尺度结构形状不同,因而具有不同的折射率分布场,从而导致光束投影发生了不同程度的变形和偏移。利用光束质心的概念定量分析了不同对流马赫数下光束偏移和抖动的统计特性。统计结果表明在高对流马赫数下光束投影的偏移量减小,光束沿流场展向的平均偏移角度减小,但摆动幅度加大。     

混合层中柱状粒子取向分布函数的研究

数值模拟了平面流固混合层中柱状粒子在平面取向的分布函数，提出了描述流场中某点直粒子取向占优程度的参数Dψ的分析，说明在混合层中心区域粒子的取向排列是有序的，在混合层相邻两个大涡之间的区域，是粒子最可几角占优程度最高的地方，而且最可几取向就是沿流场的拉伸方向，说明流场的拉伸作用及方向对粒子的取向排列具有重要影响。与其它模型相比，粒子取向的分布函数模型能定量反映流场大涡对粒子取向控制的强弱程度。     

气液两相流泄漏扩散的数值模拟

采用Eulerian-Lagrangian方法数值模拟过热液体丙烷从喷嘴释放后射流的发展过程。其中,对丙烷蒸汽与空气的气相混合物采用欧拉法求解,利用拉格朗日法跟踪丙烷液滴的运动轨迹,并加入颗粒随机轨道模型来考虑液滴的湍流扩散效应,数值计算所得的物理参量与实验测量结果相吻合。在此基础上,本文将此数值模型和方法应用于开放空间、常温高压下储存液化气(丙烷)的容器发生小孔泄漏时,两相射流在大气中的扩散过程,计算结果符合实际情况。文中还讨论了影响两相流扩散过程的主要因素,为预测可能发生的火灾爆炸事故提供理论依据。