固体颗粒对半球扰动尾迹影响的实验研究

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板层流边界层中半球粗糙元尾迹的影响.实验采集了清水和加入粒径为140μm, 220μm, 350μm聚苯乙烯固体颗粒4种工况下二维速度场信息,基于半球半径的雷诺数为994 (Re_R=RU/υ),固体颗粒的体积浓度为3.0×10~(-5).对比清水和两相工况下的平均速度剖面、湍流强度等宏观统计量,分析固体颗粒对半球尾迹流动宏观特性的影响.分别利用沿流向不同位置的流向脉动速度的二维空间相关系数和法向脉动速度的功率谱密度函数分析颗粒对尾迹结构演化过程及尾迹结构脱落频率的影响.结果发现:与清水相比,回流区随颗粒粒径增大而逐渐增大;颗粒使湍流强度增大,回流区的存在导致在半球后流向位置2R前后区域湍流强度呈现不同变化趋势;颗粒使尾迹结构的流向尺度减小并且随着颗粒粒径的增大先减小后增大;在尾迹结构运动过程中颗粒的存在促进了尾迹结构的周期性加速和减速运动,促进作用随着颗粒粒径的增大先增强后减弱;颗粒的存在促进了尾迹结构的脱落,脱落频率随颗粒粒径的增大先增大后减小.     

垂直壁面附近上升单气泡的弹跳动力学研究

采用高速摄影技术结合阴影法,对静止水中垂直壁面附近上升单气泡运动进行实验研究,对比气泡尺度及气泡喷嘴与壁面之间的初始无量纲距离(S~*)对气泡上升运动特性的影响,分析气泡与壁面碰撞前后,壁面效应与气泡动力学机制及能量变化规律.结果表明,对于雷诺数Re≈580～1100,无量纲距离S~*2～3时,气泡与壁面碰撞且气泡轨迹由无约束条件下的三维螺旋转变成二维之字形周期运动;当S~* 2～3时,壁面效应减弱,有壁面约束的气泡运动与无约束气泡运动特性趋于一致.气泡与壁面碰撞前后,壁面效应导致横向速度峰值下降为原峰值的70%,垂直速度下降50%;气泡与壁面碰撞前,通过气泡中心与壁面距离(x/R)和修正的斯托克斯数相关式可预测垂直速度的变化规律.上升气泡与壁面碰撞过程中,气泡表面变形能量单向传输给气泡横向动能,使得可变形气泡能够保持相对恒定的弹跳运动.提出了气泡在与壁面反复弹跳时的平均阻力系数的预测模型,能够很好地描述实验数据反映出的对雷诺数Re、韦伯数We和奥特沃斯数Eo等各无量纲参数的标度规律.     

一种基于几何重构的Youngs-VOF耦合水平集追踪方法

针对界面追踪方法中拉格朗日方法和欧拉--拉格朗日方法计算效率低、不适用大变形、不能应用于三维数值计算模型等问题,研究了一种效率高、界面清晰、适用于三维模型的计算气液两相界面迁移特性的欧拉运动界面追踪方法,该方法将"米"状相邻单元Youngs方法用于运动界面重构,将Youngs-VOF和水平集通过几何方法耦合,提高运动界面精度,克服了VOF和水平集方法存在的缺陷,避免了利用高阶导数本身的稳定性去求解水平集对流方程和距离函数方程."米"状相邻单元Youngs方法避免了数值耗散、数值色散性以及非线性效应引起的捕捉界面模糊的情况.Youngs-VOF耦合水平集方法既保证了计算界面时的稳定性,与拉格朗日方法相比又提高了计算效率.利用Youngs-VOF耦合水平集方法与VOF方法对单个气泡在水中上升过程数值计算与实验对比并对经典剪切流场中圆形运动界面模型的数值计算,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的有效性并比VOF方法捕捉界面更清晰、锐利;通过对溃坝--自由表面流动过程数值计算并与实验进行对比,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的稳定性以及对三维数值模型的适用性.      

固体颗粒对半球扰动尾迹影响的实验研究

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板层流边界层中半球粗糙元尾迹的影响. 实验采集了清水和加入粒径为140 $\mu$m, 220 $\mu$m, 350$\mu$m聚苯乙烯固体颗粒4种工况下二维速度场信息, 基于半球半径的雷诺数为994 ($Re_R=RU/\upsilon$), 固体颗粒的体积浓度为$3.0\times10^{-5}$. 对比清水和两相工况下的平均速度剖面、湍流强度等宏观统计量, 分析固体颗粒对半球尾迹流动宏观特性的影响. 分别利用沿流向不同位置的流向脉动速度的二维空间相关系数和法向脉动速度的功率谱密度函数分析颗粒对尾迹结构演化过程及尾迹结构脱落频率的影响. 结果发现: 与清水相比, 回流区随颗粒粒径增大而逐渐增大; 颗粒使湍流强度增大, 回流区的存在导致在半球后流向位置$2R$前后区域湍流强度呈现不同变化趋势; 颗粒使尾迹结构的流向尺度减小并且随着颗粒粒径的增大先减小后增大; 在尾迹结构运动过程中颗粒的存在促进了尾迹结构的周期性加速和减速运动, 促进作用随着颗粒粒径的增大先增强后减弱; 颗粒的存在促进了尾迹结构的脱落, 脱落频率随颗粒粒径的增大先增大后减小.      

固体颗粒对沟槽湍流边界层影响的实验研究

本文采用粒子图像测速技术(particles image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板湍流边界层中的平壁和沟槽壁面减阻效果的影响. 实验对清水和加入粒径为155 μm聚苯乙烯颗粒的流法向二维速度场信息进行采集, 对不同工况下的平均速度剖面、雷诺应力和湍流度等统计量进行对比, 分析流体在边界层中的行为. 运用空间局部平均结构函数提取了不同工况湍流边界层喷射?扫掠行为的空间拓扑结构并进行比较. 结果发现, 在不同的壁面条件下, 粒子加入后的对数律区中无量纲速度均略大于清水组, 雷诺切应力有所降低, 湍流度有所减弱. 对于不同流场速度下的沟槽而言, 颗粒的加入均降低了壁面附近的阻力, 而颗粒单独作用于光滑壁面的减阻效果并不明显. 加入粒子后的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度下降. 沟槽壁面附近的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度在自由来流速度较大时有所上升, 在速度较小时有所下降. 这表明不同减阻状况下的沟槽均能将大涡破碎成更多的涡, 并且粒子的加入强化了这种破碎作用.      

流体力学在选矿中的应用

 分析了一些典型的选矿设备中流体的运动，阐述了流体力学对选矿发展的重要性，说 明了选矿中流体力学的特点及选矿中面临的流体力学问题.     

一种基于几何重构的Youngs-VOF耦合水平集追踪方法

针对界面追踪方法中拉格朗日方法和欧拉–拉格朗日方法计算效率低、不适用大变形、不能应用于三维数值计算模型等问题,研究了一种效率高、界面清晰、适用于三维模型的计算气液两相界面迁移特性的欧拉运动界面追踪方法,该方法将"米"状相邻单元Youngs方法用于运动界面重构,将Youngs-VOF和水平集通过几何方法耦合,提高运动界面精度,克服了VOF和水平集方法存在的缺陷,避免了利用高阶导数本身的稳定性去求解水平集对流方程和距离函数方程."米"状相邻单元Youngs方法避免了数值耗散、数值色散性以及非线性效应引起的捕捉界面模糊的情况. Youngs-VOF耦合水平集方法既保证了计算界面时的稳定性,与拉格朗日方法相比又提高了计算效率.利用Youngs-VOF耦合水平集方法与VOF方法对单个气泡在水中上升过程数值计算与实验对比并对经典剪切流场中圆形运动界面模型的数值计算,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的有效性并比VOF方法捕捉界面更清晰、锐利;通过对溃坝–自由表面流动过程数值计算并与实验进行对比,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的稳定性以及对三维数值模型的适用性.     

垂直壁面附近上升单气泡的弹跳动力学研究

采用高速摄影技术结合阴影法,对静止水中垂直壁面附近上升单气泡运动进行实验研究,对比气泡尺度及气泡喷嘴与壁面之间的初始无量纲距离 ($S^{\ast}$)对气泡上升运动特性的影响,分析气泡与壁面碰撞前后,壁面效应与气泡动力学机制及能量变化规律.结果表明,对于雷诺数$Re \approx 580 \sim 1100$,无量纲距离$S^{\ast } <2 \sim3$时,气泡与壁面碰撞且气泡轨迹由无约束条件下的三维螺旋转变成二维之字形周期运动;当$S^{\ast } >2 \sim3$时,壁面效应减弱,有壁面约束的气泡运动与无约束气泡运动特性趋于一致.气泡与壁面碰撞前后,壁面效应导致横向速度峰值下降为原峰值的70%,垂直速度下降50%;气泡与壁面碰撞前,通过气泡中心与壁面距离($x/R$)和修正的斯托克斯数相关式可预测垂直速度的变化规律.上升气泡与壁面碰撞过程中,气泡表面变形能量单向传输给气泡横向动能,使得可变形气泡能够保持相对恒定的弹跳运动.提出了气泡在与壁面反复弹跳时的平均阻力系数的预测模型,能够很好地描述实验数据反映出的对雷诺数${Re}$、韦伯数${We}$和奥特沃斯数${Eo}$等各无量纲参数的标度规律.      

基于PIV技术分析颗粒在湍流边界层中的行为

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)在平板湍流边界层内开展实验研究,对比颗粒相及单相液体的平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量,分析颗粒在湍流边界层中的行为.利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)并统计其数量规律,得到不同法向位置处顺向涡周围流向脉动速度及流线的空间拓扑结构,比较分析顺向涡发展程度及周围的湍流相干结构.结果发现:与清水工况相比,颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移,湍流强度得到增强,雷诺应力在对数律区有所增大;颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同,颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递;颗粒相的顺向涡涡核较大,且随着法向位置的升高逐渐发展完整,涡和条带在流向上拉伸得更长;同时发现在两种工况下,顺向涡的左下方始终存在一个逆向涡,颗粒相逆向涡的形成弱于单相流体;两种工况下的顺向涡数量均随着法向位置的升高而减少,最后逐渐趋于稳定.     

基于PIV技术分析颗粒在湍流边界层中的行为

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)在平板湍流边界层内开展实验研究,对比颗粒相及单相液体的平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量,分析颗粒在湍流边界层中的行为.利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)并统计其数量规律,得到不同法向位置处顺向涡周围流向脉动速度及流线的空间拓扑结构,比较分析顺向涡发展程度及周围的湍流相干结构.结果发现:与清水工况相比,颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移,湍流强度得到增强,雷诺应力在对数律区有所增大;颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同,颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递;颗粒相的顺向涡涡核较大,且随着法向位置的升高逐渐发展完整,涡和条带在流向上拉伸得更长;同时发现在两种工况下,顺向涡的左下方始终存在一个逆向涡,颗粒相逆向涡的形成弱于单相流体;两种工况下的顺向涡数量均随着法向位置的升高而减少,最后逐渐趋于稳定.