高雷诺数气固湍流射流的直接数值模拟

本文对流动雷诺数 Re=5990的空间发展的气固两相湍流射流进行了直接数值模拟。其中对流场的求解采用具有四阶精度的紧致差分格式,对颗粒场的跟踪采用拉格朗日方法。结果表明,湍流拟序结构逐渐由对称模式发展到非对称模式;较小 Stokes 数的颗粒在流场中均匀分布,较大 Stokes 数的颗粒沿横向没有明显的扩散,而 Stokes 数为 1的量级的颗粒则大量聚集在大涡结构的外围。     

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.     

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.     

平面射流场中纳米颗粒的成核与凝并

采用大涡模拟和直接积分矩方法,数值模拟了在Reynolds数为8300的平面射流中,水蒸气（相对湿度φ=70%）和硫酸蒸气（质量分数为5×10^-6）二元体系中纳米颗粒的成核与凝并,详细分析了颗粒数密度、体积密度和平均粒径的分布.计算结果表明.射流场混合动量厚度的增长和实验结果一致;射流场的拟序结构导致了涡核中心处硫酸蒸气浓度的明显减小,而纳米颗粒数密度则明显增加;拟序结构的出现导致颗粒碰撞概率增大,提高了颗粒凝并效率;在颗粒数密度较大的涡核中心,颗粒成核作用增强,从而加 关键词： 纳米颗粒 成核 凝并 平面射流     

直接模拟离散颗粒对湍流射流的影响

发展了一种基于双向耦合的直接数值模拟方法,研究了两相湍流射流中离散颗粒对气相射流的影响。流场采用高分辨率的算法直接耦合求解,颗粒相采用拉格朗日方法跟踪。结果表明不同Stokes数的颗粒对射流的影响不同。所有的颗粒都降低了射流速度半宽,但对流向平均速度剖面的影响比较复杂.Stokes数为0.01和50的颗粒降低了横向平均速度,使得湍流强度剖面变的更宽更低;而Stokes数为1的颗粒则增加了横向平均速度,降低了湍流强度。     

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。     

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。     

射流温度场与拟序结构间相互作用的大涡模拟

本文分别对常温空气和高温空气的平面自由射流进行了大涡模拟,采用分步投影法求解动量方程,亚格子项采用标准Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ亚格子模式模拟,并同时求解了标志物输运方程以实现数值流场显示。模拟结果给出了湍流的瞬态发展过程以及流动中拟序结构的发展演变过程,通过对常温射流和高温射流瞬态流场的比较揭示了射流中温度场与拟序结构间相互作用的细节过程。     

城垛形喷口两相圆湍射流拟序结构的流动显示研究

用流动显示的方法对城垛形喷口气固两相圆湍射流中的拟序结构进行了研究。实验中采用直径为150 μm和350μm的玻璃微珠示踪固相,固相的气载比大约在1.0左右。喷口流动雷诺数为5000,斯德鲁哈尔数为0.50。实验结果表明:城垛形喷口能够影响两相圆湍射流中大涡结构的产生和演化。无动态激励时,城垛形喷口能促进大涡结构的产生和演化。有动态激励时,该喷口对射流中拟序结构的影响与流场中的颗粒大小有关。因此,城垛形喷口是控制两相圆湍射流拟序结构的一个有效途径。     

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。     

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。     

气固两相圆柱绕流的直接数值模拟

本文运用谱元方法对气固两相圆柱绕流进行了直接数值模拟。在获得高精度计算流场信息基础上,进行颗粒扩散运动的研究。通过研究颗粒大小对颗粒扩散运动的影响来刻画气固两相圆柱绕流的物理特征。研究时发现,由于圆柱尾流独特的涡结构特征,颗粒在流场中心轴线附近区域的扩散机理主要是决定于吸力作用,该作用会驱使小颗粒卷吸进入圆柱尾部近壁区,甚至与圆柱后壁发生碰撞,这种扩散机理与混合层中颗粒扩散机理明显不同。     

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.      

An effect of turbulent clustering on scattering of microwave radiation by small particles in the atmosphere

A coherent scattering of electromagnetic waves by clusters of inertial Rayleigh particles in atmospheric turbulence is considered. A preliminary estimate based on the Maxwell-Garnett theory and the Rayleigh approximation for single clusters demonstrates an importance of the coherent scattering contribution. It is confirmed by a general solution in a combination with theoretical estimates for the two-point probability density function for low-inertia spherical particles in isotropic turbulence. An approximate analytical expression for the coefficient characterizing effect of coherent scattering by the particle clusters is derived. The calculations for small Stokes numbers typical of water droplets in cumulus clouds yield an estimate of the coherent scattering effect on the microwave radar reflection. The model suggested allows solving the inverse problem to determine the pair correlation function for cloud particles. It is expected to be important for the investigations on particle–turbulence interaction in the atmosphere. The theoretical model developed is true not only in the limit of low-inertia particles and can be potentially used at arbitrary Stokes numbers in other applications.     

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.     

Coherent radiation onto a moving target

The radiation of a laser, or other coherent source, is directed at a target in uniform, then in non-uniform motion. The k-factor of Bondi's calculus is confirmed for uniform motion, but without the usual symmetry assumption. To satisfy the bandwidth theorem of Gabor, it is then argued that an extension to the same theory is needed for non-uniform motion.     

非均匀部分相干光束在自由空间中的传输

本文介绍了非均匀部分相干光束的概念, 并用数值模拟的方法详细研究了其在自由空间传输后的变化. 研究结果表明, 经过自由空间传输后非均匀部分相干光束会发生不同于传统相干模型光束的显著变化. 这种变化和光束传输距离、光源空间相干度分布、光源光强分布密切相关. 经过传输后, 源平面自相干附近点的空间相干度发生突变, 在短距离传输过程中源平面高相干区域的空间相干度会降低, 接收面各点的空间相干曲线不再相同, 随着传输距离增加, 非均匀空间相干度会逐渐趋于均匀.     

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。     

Laminar-Turbulent Transition: The Change of the Flow State Temperature with the Reynolds Number

Representing the fluid flow as a collection of coherent structures of various size, the statistical temperature of the flow state is determined as a function of the Reynolds number. It is shown that at small Reynolds numbers, associated with laminar states, the temperature is positive, while at large Reynolds numbers, associated with turbulent states, it is negative. At intermediate Reynolds numbers, the temperature changes from positive to negative as the size of the coherent structures increases, similar to what was predicted by Onsager for a system of parallel point-vortices in an inviscid fluid. It is also shown that in the range of intermediate Reynolds numbers the temperature exhibits a critical divergence.