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.     

鼓泡流化床埋管磨损量及其分布的数值研究

本文采用离散颗粒单元法对流化床内颗粒运动及其与固定埋管受热面的相互作用进行颗粒直接数值模拟,其中颗粒之间的碰撞采用Tsuji等提出的软球碰撞模型处理,而流场的计算采用大涡模拟,其亚网格应力为Smagorinsky涡黏性模型,流动工况为两维鼓泡流化床.磨损量的估计是基于祝京旭等人的埋管磨损试验研究的结论,并结合本文数值模拟的结果,揭示了流化床埋管磨损量及其分布的若干规律.     

考虑颗粒碰撞的三维混合层直接数值模拟

为了更细致地考察两相流动中颗粒间的碰撞现象及颗粒碰撞对颗粒相、流体相产生的具体影响,本文在双向耦合、颗粒St=3、满质量载荷工况下对气固两相三维平面混合层流场进行了直接数值模拟。其中对颗粒跟踪采用Lagrangian方法,颗粒间的碰撞采用硬球模型。数值结果表明:考虑了颗粒间的碰撞后,在流场发展末期,颗粒分布得更加均匀,流体相相互混合程度提高,两相平均流向速度降低,湍动能增强。     

三维射流中颗粒碰撞的直接数值模拟

采用硬球模型对三维气同两相射流中Stokes数为10的中等颗粒的碰撞行为进行了直接数值模拟,以初步考察两相流动中颗粒碰撞的特件.颗粒的跟踪采用单向耦合的Lagrangian方法,计算分析了颗粒碰撞随空间、时间的演化及其对颗粒分布不均匀性的影响.模拟结果表明颗粒碰撞主要分布在流场巾颗粒局部浓度较高的区域;由于射流初期大尺度涡结构的影响,颗粒的浓度分布最为不均,因此碰撞次数在这一时期随时间呈线性增加,达到最大值后逐渐回落趋于平缓.此外,对网格中颗粒个数分布的矩的统计发现,碰撞对颗粒分布不均匀性的影响随时间呈现不同的特性.     

微细颗粒碰撞作用规律的数值模拟

通过实验和数值模拟方法,对微细颗粒（直径小于100 μm）碰撞规律进行研究.首先采用离散元模拟,基于改进的硬球模型,探索在流场作用下,微细颗粒的初始速度、表面能、尺寸、质量浓度和风速对微细颗粒之间的结合性碰撞及非结合性碰撞的影响,同时考虑微细颗粒团聚及沉降的物理运移过程,得出不同初始条件下微细颗粒碰撞频率的演化规律.最后进行物理实验,发现模拟得到的碰撞频率与实验得到的微细颗粒自沉降特征相一致.     

应用格子Boltzmann方法研究颗粒横掠管束的沉积过程

烟气中灰尘颗粒在换热器管束表面的沉积对换热器性能有较大影响,研究颗粒在管束上的沉积规律有较大的应用价值。本文应用格子Boltzmann与格子气自动机的耦合模型模拟了颗粒随流场的运动,并采用该模型模拟了颗粒在单排管束表面的沉积现象,得到了直径为5μm和10μm的颗粒在管子上的沉积形貌。接着模拟了直径为10μm的颗粒在顺排和叉排管束表面的沉积形貌,结果显示前排管束只在背风面发生沉积,而后排管束在迎风面和背风面同时发生沉积,且顺排管束上的颗粒沉积较多。因此,叉排布置有利于减小积灰。本文的研究可以展示颗粒沉积的规律,并为含尘烟气换热器的设计提供指导。     

颗粒碰撞的直接模拟算法

为研究细微颗粒间平均碰撞率,构建了直接模拟三维空间内颗粒碰撞的数值方法.对剪切流内夹带的无惯性颗粒和自由运动颗粒的碰撞过程分别进行了数值模拟,得到的颗粒平均碰撞率的模拟值与理论值的相对误差小于1%.在碰撞颗粒对的搜索过程中,引入网络排除法等优化措施,使计算量降低两个量级以上,而不增大相对误差.采用不同的Δt模拟同一颗粒群的运动,发现较小的时间步长可以避免因为截断误差增大的相对误差.在不遗失颗粒碰撞的条件下,较密的计算网格可明显减少计算量.     

自由分子区内纳米颗粒的热泳力计算

基于非平衡态分子动力学模拟方法,研究了自由分子区内纳米颗粒的热泳特性.理论研究表明,纳米颗粒与周围气体分子之间的非刚体碰撞效应会明显地改变其热泳特性,经典的Waldmann热泳理论并不适用,但尚未有定量的直接验证.模拟计算结果表明:对于纳米颗粒而言,当气-固相互作用势能较弱或气体温度较高时,气体分子与纳米颗粒之间的非刚体碰撞效应可以忽略,Waldmann热泳理论与分子动力学模拟结果吻合较好;当气-固相互作用势能较强或气体温度较低时,非刚体碰撞效应较为明显,Waldmann热泳理论与模拟结果存在较大误差.基于分子动力学模拟结果,对纳米颗粒的等效粒径进行了修正,并考虑了气体分子与纳米颗粒之间的非刚体碰撞效应,理论计算结果与分子动力学模拟结果吻合较好.     

湍动雾化射流液雾粒径分布的数值模拟

对水在空气中湍动雾化射流的气液两相流场进行了数值模拟.其中,气体流场采用k-ε湍流模型进行模拟,给出了载气轴向速度的分布情况.对喷雾粒子的运动采用颗粒轨道法,建立粒子破碎和碰撞的数值模型,研究了液雾粒径在不同工况下沿轴向的变化趋势.数值模拟结果与实验结果在多种气液比下进行了比较,两者吻合较好.同时,分析了初始粒径和粒子总数及喷嘴尺寸对液雾粒径变化趋势的影响,讨论了有助于粒径均匀分布的条件.     

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.