气固两相流体绕方柱流动的PDPA实验研究

气固两相流体绕流方形截面柱体的流动对于理论研究和工程应用都具有重要意义,但由于其复杂性人们对它 的认识还很初浅。文中应用三维颗粒动态分析仪(3D-PDPA)对较高雷诺数下气固两相流体绕流方形截面柱体的流场进行了测量,得到了两相绕流的时均速度场和速度脉动分布等数据,并分析了颗粒的存在对流场的影响。研究发现载有颗粒的气固两相方柱绕流存在回流区,其两相方柱绕流的尾迹区长度比单相绕流尾迹区短。在流向方向上可以把绕流后流场大致分为靠近方柱的基本区和远离方柱的近尾迹区两个区域,基本区内各方向的速度脉动程度都非常强,颗粒脉动比气流脉动强;而近尾迹区内速度脉动较弱。在横向方向上,y/D<1/3区域内气流速度脉动强度很高,而且颗粒脉动比气流脉动强度高;在y/D>1/3区域内则脉动强度很低。研究结果对于认识较高雷诺数下气固两相方柱绕流流场特性和工程应用具有指导意义。     

气固两相湍流射流中颗粒的统计特性

为了进一步揭示气固两相湍流射流中颗粒的扩散机理，在对流场进行高精度直接数值模拟的基础上对颗粒进行了统计研究。跟踪颗粒轨迹时，在拉格朗日框架进行，统计颗粒的平均速度时采用欧拉方法。结果显示，颗粒的流向平均速度剖面呈高斯分布，而横向平均速度剖面则呈正弦分布。其中Stokes数为1的中等颗粒的速度较低，Stokes数为0．1的小颗粒的速度分布较宽，而Stokes数为8的大颗粒在射流中心区的速度较高。颗粒速度分布的不同导致颗粒不同的浓度分布和扩散方式。     

流化床气固相间脉动能量作用分析

以气相大涡模拟–颗粒相二阶矩双流体模型为框架,类比Simonin气固相间脉动能量二阶作用模型,考虑气相亚格子湍动能与颗粒相速度脉动二阶矩之间的脉动能量传递,提出气固相间脉动能量二阶作用项,建立气固相间脉动能量二阶作用模型。比较了Koch模型与修正后的Simonin模型的模拟结果,研究了不同模型下气固相间脉动能量随颗粒浓度分布的变化规律。分析了气固相间脉动能量作用对颗粒浓度和速度等宏观物理量的影响,发现脉动能量作用对宏观物理量影响很小。分析了气固相间脉动能量作用对气相亚格子湍动能和颗粒相速度脉动二阶矩等微观物理量的影响,模拟结果表明,考虑脉动能量作用后亚格子湍动能与亚格子能量耗散的模拟值升高;颗粒速度脉动二阶矩的模拟值也升高。     

气固两相圆柱绕流转捩两种模式的三维直接数值模拟

该文对随空间发展模式的三维气固两相圆柱绕流中颗粒与流体的单相耦合作用进行了直接数值模拟。气相流场采用高精度紧致差分方法的数值方法对N-S方程组进行直接求解,计算颗粒场时,选取Stokes数等于0．01、1、10的颗粒,采用Lagarangian方法跟踪其运动。颗粒与壁面采用了弹性碰撞的方法来模拟。重点考察了颗粒相受两种模式下拟序结构的作用,分析了不同Stokes数的颗粒扩散受其相应流场特性的影响。数值结果表明,颗粒扩散受两种模式的影响很大。在相同的Stokes数下,B模式下的颗粒场纵向和横向扩散要高于受A模式影响的颗粒场；而在相同雷诺数下,Stokes数越大,横向扩散越小,纵向扩散越大。     

典型紊流模型对于圆柱绕流模拟的适用性研究

紊流模型对于圆柱绕流现象模拟精度具有决定性影响。基于CFD软件平台,在雷诺数Re=3900条件下评估了6种典型紊流模型对于单圆柱绕流数值模拟的适用性。将圆柱绕流受力特性(如升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔数等)和流场结构的数值模拟结果和物理模型实验结果进行对比,发现k-ε和Reynolds Stress紊流模型对圆柱周边压力系数模拟精度很高;在平均阻力系数和流场结构模拟方面,k-ε紊流模型具有明显的优势;Reynolds Stress紊流模型对回流区时均速度的模拟效果较好,SST k-ω紊流模型对非回流区时均速度模拟效果较好,为圆柱绕流数值模拟的紊流模型选取提供了参考依据。     

粗糙流道微细颗粒物沉积特性的数值研究

应用Weierstrass-Mandelbrot(W-M)分形方程构建了均方根粗糙度为0.5mm的壁面,采用欧拉-拉格朗日双向耦合方法,对粒径范围为0.1~20μm的球形固体颗粒在风速范围为3~7m/s的粗糙流道内的沉积行为进行了数值模拟,研究了粗糙流道内的颗粒沉积特性。结果表明:粗糙结构在近壁区间生成一系列湍流涡,可大幅提高微小颗粒(无量纲弛豫时间τ+1)的沉积速度,但粗糙结构对较大颗粒(τ~+1)的沉积速度影响较小;风速的提高增大了近壁区间内的湍流涡速度及湍动能,可增大d_p≤5μm的颗粒的沉积率,但对于d_p≥10μm的颗粒,提高风速会使其沉积率下降;减小壁面粗糙度可作为减弱PM2.5沉积速度的有效手段。     

非均匀来流对三维气固圆柱尾迹的影响

对非均匀来流三维气固两相尾迹流动做了直接数值模拟。气相流场采用高精度紧致差分法的数值方法对N-S方程组进行直接求解。计算颗粒场时,选取Stokes数等于1的颗粒,并采用Lagarangian方法跟踪其运动。颗粒与壁面采用弹性碰撞方法模拟。分析了非均匀来流(Re=260)的情况下扰动对流场特性的影响以及对颗粒扩散的影响。模拟结果表明:入口处的扰动加速了三维大涡的形成以及流体的紊乱以及颗粒在流场中的扩散程度。     

颗粒相双尺度湍流模型及其在提升管稠密两相流中的应用

稠密两相流动是当前国际上的研究热点,大多数湍流模型都基于单个时间尺度及长度尺度,然而实际的湍流脉动包含了很宽的涡旋尺度范围及时间尺度范围。为了较合理地模拟湍流脉动及其所造成的各向异性,基于多尺度概念,该文建立了颗粒相的双尺度湍流模型,包括颗粒相大尺度脉动湍动能方程,小尺度脉动湍动能方程,大尺度脉动能量传递率方程,小尺度脉动耗散率方程等。利用该模型对循环流化床提升管内的稠密气固两相流动进行了数值模拟,所得颗粒浓度及速度分布和实验数据吻合较好,该模型的结果较kf-ef-kp-ep-q两相湍流模型的结果有所改进。     

烟气流速和装置元件角度对细颗粒湍流聚并的影响

颗粒物湍流聚并技术是促进细颗粒物脱除的有效手段。通过数值模拟研究在一种装置内颗粒物在湍流作用下的聚并特性,考察气流速度和装置元件角度的影响。模拟结果表明:聚并的效果随着流速的增大而提高,也随着元件迎流角度接近90?而提高。原因是:上述装置结构和流速的变化提高了元件的尾涡强度,使湍动能耗散率增大,也使颗粒之间的碰撞概率增大。     

细长颗粒与流场双向耦合的气固两相流数值模拟研究

细长颗粒气–固两相流中湍流流变特性研究是细长颗粒气固两相流研究的重要内容之一。基于离散单元法、刚体动力学,并引入拉格朗日时间尺度与?-ε模型的耦合关联式,构建起细长颗粒?湍流场气–固双向耦合模型,并采用此模型对某一实际流化床内的细长颗粒气-固两相流场进行了数值研究。研究发现,多数细长颗粒以其轴与流场主流速度方向近于平行的姿态在流场中向上运动;在高度上,一方面细长颗粒在此存在会导致此高度上湍流速度梯度的增加从而导致整个高度上湍动能值的增加,另一方面细长颗粒的存在又会消耗一部分当地湍流场的湍动能;水平方向上有细长颗粒存在的区域,当地湍动能值会有明显的下降;细长颗粒的存在会导致整个湍流场的压强梯度增加。     

直接数值模拟三维气固两相混合层中颗粒与流体的双向耦合

该文对随时间发展模式的三维气固两相混合层中颗粒与流体的双相偶合作用进行了直接数值模拟。气相流场采用拟谱方法对N—S方程组进行直接求解，计算颗粒场时，选取Stokes数等于5的颗粒，采用Lagrangian方法跟踪其运动。重点考察了颗粒相与流体相间的相互作用，分析了不同质量携带率的颗粒对流场特性的修正以及对颗粒扩散的影响。模拟结果表明：混合层流动在考虑颗粒的反作用时大涡结构的卷起和配对仍然占支配地位：颗粒延滞了混合层中大涡结构的发展，降低了大涡结构的长度尺寸；在大涡卷起过程中，颗粒会衰减气相湍流的能量，衰减的程度随颗粒质量携带率的增大而增大。而在大涡配对过程中，颗粒使气相湍流的能量增加，并且增加的程度随颗粒质量携带率的增大而增大。此外，颗粒的出现，增加了流体的混合程度，削弱了颗粒在流场中的扩散程度。     

充分发展尾流中粒子运动机制的研究

运用直接数值模拟方法(谱元)对圆柱尾流(Re￡175)进行计算，计算结果与实验结果吻合良好。在获得精确流场基础上，运用拉哥朗日法对充分发展尾流中的粒子(St=4)运动进行研究，同时考虑粒子之间的相互作用。研究发现，粒子在充分发展尾流中集聚于相邻涡团之间区域，该现象很大程度上决定于流场的横向速度分布。此外，粒子扩散分布清晰显示涡团轮廓。从粒子与当地流场相对速度的分布分析中可以得到粒子在尾流中的运动规律：在相邻涡团反向旋转作用下粒子围绕涡团做往复运动。因此粒子在充分发展尾流中的运动可以描述为：一边绕涡团运动，一边随涡团向尾部运动。     

横流中湍流射流的数值研究

为探索横流中湍流射流的穿透性和流场基本特征，分别采用大涡模拟和标准k-e 湍流模型计算了射流速度比率为10的横流中圆管湍流射流，对射流速度为50 m/s的雷诺数为16600。大涡模拟获得的射流中心轨迹与试验数据基本一致，同时捕捉到了射流上游的开尔芬-亥姆霍兹不稳定性引起的剪切层涡卷、始于近场并主宰远场的逆向旋转涡对和垂直上升尾涡。计算表明，逆向旋转涡对并非严格关于射流中心平面对称，而是随时间左右摆动，与试验结论一致。标准k-e 湍流模型得到的逆向旋转涡对严格关于射流中心平面对称，同时不能获得射流上游的剪切层涡卷和垂直上升尾涡。     

水泵水轮机叶道涡的串级及耗散特性分析

采用大涡模拟方法,对某水泵水轮机模型额定工况进行了全流道三维非定常湍流涡结构的串级特性分析,得到了涡结构在叶道中的串级分布特性,捕捉到了叶道涡的时空演化,探寻了不同尺度涡的存活率及串级形成的能量耗散通道。结果表明：即便在额定水轮机工况运行时,由于存在微小进口冲角,在叶片背面靠近上冠的区域形成的小量脱流,也将会演化形成叶道涡。叶道中“大尺度”涡的存活率相对较低,而“小尺度”涡的存活率则很高,相邻尺度涡量增大倍数在1.2 ~ 1.6之间。在叶道的一定区域内,叶道涡在串级过程中会逐步汇聚,相互干扰,涡湍黏性随之快速增加,导致湍动能沿叶道剧增,形成能量耗散的通道。     

撞击流气化炉内气固两相流动与颗粒附壁沉积数值模拟

对多喷嘴对置式气化炉内复杂的气固两相流动与颗粒附壁沉积进行3D数值模拟。采用Realizable k-ε湍流模型计算炉内气相湍流流场,应用Euler-Lagrange模型模拟气固两相流动,颗粒轨迹跟踪采用随机轨道模型。根据液态排渣气化炉本身特点,描述炉壁熔渣流的形成过程,建立适用于液态排渣气化炉的颗粒附壁沉积模型,模拟结果与实验值吻合较好。模拟结果表明,数值模拟再现了撞击流气化炉内分区流动的情况;射流撞击使颗粒在气化炉内分布较为均匀,撞击中心和撞击流股区域浓度略高;颗粒在炉壁沉积基本覆盖整个气化炉,不存在局部积渣;当气化炉操作压力达到 4.0 MPa时,渣口气流夹带颗粒量有所提高,气流流速的增大而提高,颗粒停留时间缩短,影响碳转化率。     

泄洪洞下游低频噪声数值模拟预测研究北大核心CSCD

针对泄洪洞泄洪时下游环境中的低频气压脉动强度预测问题,通过紊流数值模拟,分析了泄流流速分布特征,开展了涡结构识别,研究了涡量脉动特性,并结合涡声理论对如美水电站多洞联合泄洪工况进行了泄洪诱发低频气压脉动预测。结果表明:涡结构主要分布在泄流水舌入水点及其下游,即水流剪切作用剧烈的部位,水垫塘存在大量的发卡涡和马蹄形涡等大尺度涡结构;涡量脉动在0~2 Hz范围内存在多个优势频率,泄洪涡量脉动可能诱发相应频率的低频气压脉动;各工况下预测声压级最高可达140 dB以上,但声波在水-气界面及雾化液滴耗散作用下,水垫塘周边1 km范围内,衰减后的低频声压级最大约122 dB。     

大宽深比变曲率弯道水动力结构大涡模拟研究

弯曲型河流是自然界常见的河流形态，弯曲引起主流、二次流与湍流紊动相互作用，产生复杂的水动力结构，影响河流演变和物质输运。目前相关数值模拟及试验研究多针对小宽深、常曲率弯道，与天然河流大宽深、变曲率形态存在较大差异，为了揭示与天然河流相近的弯道水流运动特性，本文针对大宽深比正弦派生曲线弯道三维水流运动进行大涡数值（LES）模拟研究，结果表明：零曲率断面中心区域二次流沿河宽方向分布最为均匀，回流区范围最大，在大宽深比弯道中，回流区范围最大可达断面面积的15.5%。大宽深比弯道中部流动受到弯曲边界约束较弱，主流区内顺流向流速分布较小宽深比工况更接近于顺直矩形明渠，大宽深比情况下，主流核心区集中在弯道中线附近0.5 ~ 1倍水深范围，随着宽深比增大，弯顶附近涡量绝对值增大，对下游的影响范围增大。大宽深比弯道中水流紊动能整体水平较低，紊动能等值线分布和顺流向时均流速等值线一样，均受二次流影响，主流区中心紊动能最小，主流和局部回流区间的剪切层紊动能最大。