气固两相三维圆柱绕流的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟(DNS)方法研究了气周两相三维圆柱绕流的涡量场和颗粒扩散,并着重讨论了圆柱绕流中卡门涡街的形成和涡结构的转捩过程。同时分析了圆柱绕流中不同Stokes数的颗粒在涡结构作用下的横向扩散。结果显示Stokes数为1的颗粒主要分布在流场大尺度涡结构的外边界,而Stokes数为0．01的颗粒在涡结构的作用下,在流场中充分混合。     

三维射流中颗粒与流体的双向耦合作用

采用基于欧拉一拉格朗日的双向耦合模型对三维气固两相平面射流中颗粒与流体的双向耦合作用进行了直接数值模拟.在考虑颗粒相的反作用后,气相运动采用直接耦合求解,计算颗粒场时,选取Stokes数为0.1的较小颗粒,采用Lagrangian方法跟踪其运动.重点考察了颗粒相与流体相之间的相互作用,分析了不同固相载率的颗粒对流场特性以及对自身扩散的影响.模拟结果表明由于颗粒的影响,在射流入口处流场最初生成的两个大涡沿横向被拉伸,而在射流下游区域,涡结构则沿流向被拉伸;在射流的下游,颗粒降低了流场中心区域的流向平均速度,削弱了流场中心区域的湍流强度.此外,跟单向耦合相比,双向耦合情况下的颗粒分布更加均匀,并且均匀程度随固相载率的增加而增大.     

自由剪切流动中颗粒扩散的自相似特性

为了研究自由剪切流动中颗粒扩散的统计特性,对空间发展模式的三维气固两相射流和时间发展模式的三维气固两相混合层进行了直接数值模拟.其中对气相不可压缩Navier-Stokes方程的求解分别采用有限容积方法和拟谱方法,对离散惯性颗粒的跟踪采用单向耦合的拉格朗日方法.统计结果显示,当流场进入自相似状态后,以流场速度梯度二阶不变量Q为自变量的颗粒数的概率分布函数也呈现出与颗粒尺寸和时间发展无关的自相似特性.     

气固两相90°弯管流中静电影响颗粒运动的大涡模拟研究

本文采用欧拉–拉格朗日方法对静电平衡情况下的圆形截面90°弯管中的气固两相湍流流动进行了大涡模拟研究,重点研究了弯管中的饱和静电作用和Prandtl第二类二次流对于颗粒输送的影响。结果表明,模拟得到Reb=58k工况下的90°弯管中的载流相流场计算结果与实验结果吻合良好,弯管中平均二次流速度最大可以达到体积速度的55%,并且二次流对于离散颗粒相的输送影响显著。静电作用对于管道中心区域的颗粒影响较小,但对于近壁面区域的颗粒作用影响较大,加强了近壁面区域颗粒运动的湍泳现象。动力学分析结果表明,在远离壁面的大部分管道中心区域内流动对颗粒的拖曳力主导颗粒的运动。而对近壁面区域内的颗粒,静电力与拖曳力大小相当甚至超过拖曳力,静电力主导了近壁面区域内颗粒的运动。     

螺旋管分离器中液固两相流颗粒相分布研究

螺旋管分离器是一种高效低阻的新型液固/气液固分离装置,研究分离器内部相分布特征及影响因素具有重要意义。本文利用Malvern粒度仪和观察窗技术测量了分离器模型中水-砂两相流动的颗粒浓度和粒度分布,并且对具有相似结构和流动参数的平面组合方管液固两相流动进行了数值模拟。研究表明颗粒相分布是离心力、二次流和紊流扩散的综合结果:离心力使颗粒由内弯侧向外弯侧聚集,是实现分离的根本动力,颗粒越大,分离现象越显著;二次流对分离具有双重作用;紊流扩散不利于分离。液速越高,分离效果越好。颗粒平均浓度对浓度分布没有显著影响。     

气固两相平面混合层的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟(DNS)方法研究了气固两相混合层的涡量场和颗粒扩散,分析了湍流混合层中涡结构的卷起和配对过程,并讨论了大尺度涡结构的配对过程对平均速度、雷诺应力的影响。同时分析了混合层中不同Stokes数的颗粒在涡结构的作用下的混合和扩散。结果显示Stokes数为1的颗粒主要分布在流场大尺度涡结构的外边界,而Stokes数为0.01在涡结构的作用下,在流场中充分混合。     

用雷诺应力模型计算旋风分离器中气-固两相流动

针对分离器内部的复杂的三维强旋转、气-固两相湍流运动,采用雷诺应力模型(SSG),利用贴体网格技术,模拟计算了分离器内部流动,并将计算结果与实验数据进行分析、比较。分离器内的固体颗粒运动采用涉及湍流扩散影响的随机轨道模型和确定轨道模型,在流场计算的基础上,模拟了不同直径的颗粒在分离器内的运动规律及颗粒分离效率,并同理论和实验得到的数据进行了比较。     

拟涡位移模型及气粒两相流动数值模拟

本文首先用离散涡方法对绕圆柱和半无限长平板的流动作了数值模拟。在讨论粒子和涡团耦合运动的基础上首次提出了粒子在流场中运动的拟涡位移模型，并对几个典型的气粒两相流动作了数值模拟。文章最后对流场中粒子运动的瞬时状态作了统计处理，得到了关于粒子在流场中分布的概率密度函数和粒子脉动速度的分布函数并用拟涡位移模型对壁面附近粒子的运动－沉积和反弹作了数值模拟。计算结果是令人满意的。     

突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的欧拉一拉格朗日数值模拟方法(DPM),对水平突扩圆管中液固两相流固体颗粒的碰撞过程进行了数值计算.在模型中,对液相采用欧拉法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟.采用硬球模型描述颗粒间的碰撞作用.计算结果表明,该模型可以真实地模拟液固两相流中固体颗粒运动的动态变化过程以及颗粒的非均匀分布特征,从单颗粒层次上提供颗粒的运动信息,这有助于深入研究液固两相流中固体颗粒的运动规律.     

气固两相圆湍射流颗粒对气相流动的影响

采用PDA测量气固两相圆湍射流中轴线上的气相轴向平均速度及轴向和径向湍流强度,并与相同出口速度的单相射流进行比较。研究不同颗粒对气相的调制作用。喷口直径为20 mm,出口Re为13600。采用了从50μm到300 μm不同平均直径的六种密度为2500 kg/m3玻璃微珠作为颗粒相。各组实验质量气载比为0.5。结果表明不同粒径的颗粒对两相流场中气相的平均速度、轴向和径向湍流强度均有不同影响。150μm以下的颗粒对气相湍流有明显抑制作用, 200μm以上颗粒对气相湍流有加强作用。颗粒对气相湍流调制规律的分界取与颗粒随拟序结构扩散的分界不同。     

转捩射流中涡结构与颗粒扩散的直接模拟

为考察转捩射流中拟序结构的空间演化过程及其对不同Stokes颗粒扩散的影响,采用有限容积方法和分步投影算法对三维气固两相射流进行了直接模拟。其中流体控制方程组的时间积分采用低存储三阶精度的Runge-Kutta格式; 颗粒的跟踪在拉格朗日框架下进行。模拟结果发现,在流场拟序结构由大尺度转化为小尺度的过程中,中、小Stokes数的颗粒能自发地调整它们的扩散方式,分别由非均匀状态向均匀状态以及由均匀状态向非均匀状态转变。     

高速流动PIV示踪粒子跟随性分析

通过理论推导提出了一种评价高速流动PIV示踪粒子随流能力的松弛特性分析模型,在法向Mach数大于1.4时具有良好的适用性.将新模型应用于试验测量,发展了高速流动PIV系统和示踪粒子布撒技术,验证了高速流动PIV的定量化测量能力.针对空间发展的二维超声速气固两相混合层,数值模拟了不同Stokes数和对流Mach数（M_c）下的粒子跟随性以及弥散和迁徙运动,结果表明:相同对流Mach数,粒径越小的示踪粒子跟随性越好,Stokes数在[1, 10]范围内的粒子有最大扩散距离.示踪粒子的直径大小决定其在超声速混合层大涡拟序结构中的分布特征,且粒径越小,气体与粒子的掺混越剧烈.相同粒径的粒子,对流Mach数越大跟随性越差.      

三维气固两相混合层湍流拟序结构的直接数值模拟

本文对三维气固两相混合层湍流拟序结构进行了直接数值模拟。气相流场应用拟谱方法对Ｎ－Ｓ方程组进行直接求解,通过模拟时间模式的混合层流动,分析流场失稳后涡的卷起、配对、合并及撕裂过程,研究三维混合层湍流拟序结构的演变特征;计算颗粒场时,采用Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ方法,针对颗粒不同的Ｓｔｏｋｅｓ数,模拟了颗粒场的瞬态分布,并分析流场三维大涡结构对颗粒分布的影响。     

The effects of flow structure and particle mass loading on particle dispersion in particle-laden swirling jets

A direct numerical simulation of particle dispersion in particle-laden swirling jets issued into a rectangular container through a round nozzle is carried out. The swirl number is S=1.42 when the bubble vortex breakdown takes place. Two cases are simulated for comparison, i.e. five types of particles with Stokes numbers St=0.01, 0.1, 1, 10 and 100 respectively under the same flow rate, and four types of particles with St=0.5, 1, 5 and 10 respectively under the same mass loading. After simulation, it is found that the rectangular flow domain induces an important modification to the flow structure. It influences the dispersion characteristics in the peripheral cross area, forming a centrosymmetric dispersion of particles in the cross-sectional area. A quantitative analysis of the non-uniform particle dispersion is carried out. Moreover, the effect of mass loading on particle dispersion is explored and explained. It indicates the correlation between the inter-phase moment coupling and particle mass loading via the change of probability density function of the inter-phase velocity difference. Heavy mass loading causes an insufficient inter-phase momentum transport and the worse dispersion of large particles than that of small mass loading.     

驻波声场中圆柱形管道周围颗粒的运动特性

针对圆柱形管道外部的流体与颗粒介质运动问题,提出了结合圆柱周围声辐射力和声流Stokes力的研究方法。从柱体外部声流方程出发,得到影响涡流结构的无量纲参数Rem≥325.27时,外涡最大流速大于内涡最大流速。在此基础上,采用Nyborg的边界滑移速度理论,获得管道外部声流的极限滑移速度,推导得出圆柱附近的声辐射力公式。基于此公式,在理论上推导出颗粒速度为0、声辐射力和声流Stokes力平衡时,颗粒临界直径的表达式。通过对圆柱位于不同位置时,圆柱外部的颗粒运动进行仿真模拟,得到与理论公式相一致的结论:颗粒的临界直径的大小与声波频率有关,当颗粒直径小于临界直径时,声流Stokes力为主导,颗粒随声流运动,颗粒直径大于等于临界直径时,声辐射力为主导,颗粒在声辐射力作用下逐渐向声辐射力的节点聚集。理论与仿真结果表明该方法可用于分析管道外颗粒的分布状态,其研究结果有助于解决电站中换热器的管道结垢、热交换率降低等问题。     

两相混合层中颗粒运动的数值模拟

本文采用离散涡方法对平板混合层流动进行了数值模拟,得到了与实验完全定量符合的速度场。再用单向耦合方法模拟了混合层流场中颗粒的运动。分析了混合层流动中大尺度涡结构及Ｓｔｏｋｅｓ数对颗粒扩散的影响。与前人工作中所采用的每个时间步一个颗粒在固定的位置进入计算域的方法不同,本文中每个时间步有多个颗粒在入口处以随机的横向位置进入计算域。因此,在不需增加太多计算量的基础上,计算域中可以包含足够多的颗粒以获得较精确的统计结果。采用本文方法得到的颗粒速度场与实验结果定量符合得很好。     

A Modeling Study on Particle Dispersion in Wall-Bounded Turbulent Flows

Three physical mechanisms which may affect dispersion of particle's motion in wall-bounded turbulent flows, including the effects of turbulence, wall roughness in particle-wall collisions, and inter-particle collisions, are numerically investigated in this study. Parametric studies with different wall roughness extents and with different mass loading ratios of particles are performed in fully developed channel flows with the Eulerian-Lagrangian approach. A low-Reynolds-number $k-\epsilon$ turbulence model is applied for the solution of the carrier-flow field, while the deterministic Lagrangian method together with binary-collision hard-sphere model is applied for the solution of particle motion. It is shown that the mechanism of inter-particle collisions should be taken into account in the modeling except for the flows laden with sufficiently low mass loading ratios of particles. Influences of wall roughness on particle dispersion due to particle-wall collisions are found to be considerable in the bounded particle-laden flow. Since the investigated particles are associated with large Stokes numbers, i.e., larger than $\mathcal{O}(1)$, in the test problem, the effects of turbulence on particle dispersion are much less considerable, as expected, in comparison with another two physical mechanisms investigated in the study.     

Particle subgrid scale modelling in large-eddy simulations of particle-laden turbulence

This study is concerned with particle subgrid scale (SGS) modelling in large-eddy simulations (LESs) of particle-laden turbulence. Although many particle-laden LES studies have neglected the effect of the SGS on the particles, several particle SGS models have been proposed in the literature. In this research, the approximate deconvolution method (ADM) and the stochastic models of Fukagata et al. (Dynamics of Brownian particles in a turbulent channel flow, Heat Mass Transf. 40 (2004), 715–726) Shotorban and Mashayek (A stochastic model for particle motion in large-eddy simulation, J. Turbul. 7 (2006), 1–13) and Berrouk et al. (Stochastic modelling of inertial particle dispersion by subgrid motion for LES of high Reynolds number pipe flow, J. Turbul. 8 (2007), pp. 1–20) are analysed. The particle SGS models are assessed using both a priori and a posteriori simulations of inertial particles in a periodic box of decaying, homogeneous and isotropic turbulence with an initial Reynolds number of Re_λ = 74. The model results are compared with particle statistics from a direct numerical simulation (DNS). Particles with a large range of Stokes numbers are tested using various filter sizes and stochastic model constant values. Simulations with and without gravity are performed to evaluate the ability of the models to account for the crossing trajectory and continuity effects. The results show that ADM improves results but is only capable of recovering a portion of the SGS turbulent kinetic energy. Conversely, the stochastic models are able to recover sufficient SGS energy, but show a large range of results dependent on the Stokes number and filter size. The stochastic models generally perform best at small Stokes numbers, but are unable to predict preferential concentration.     

Inertial clustering of particles in high-Reynolds-number turbulence

We report experimental evidence of spatial clustering of dense particles in homogenous, isotropic turbulence at high Reynolds numbers. The dissipation-scale clustering becomes stronger as the Stokes number increases and is found to exhibit similarity with respect to the droplet Stokes number over a range of experimental conditions (particle diameter and turbulent energy dissipation rate). These findings are in qualitative agreement with recent theoretical and computational studies of inertial particle clustering in turbulence. Because of the large Reynolds numbers a broad scaling range of particle clustering due to turbulent mixing is present, and the inertial clustering can clearly be distinguished from that due to mixing of fluid particles.