近壁面颗粒绕流特性的直接数值模拟研究

发布时间：2017-09-09 18:53

  本文关键词：近壁面颗粒绕流特性的直接数值模拟研究

  更多相关文章： 湍流边界层 绕流 拟序结构 直接数值模拟

【摘要】：在实际工程应用领域,特别是在能源、动力、化工等领域,存在着复杂的气固两相湍流边界层问题。在气固两相边界层流动中,颗粒的存在会改变湍流边界层的拟序结构和湍流特性,同时,湍流边界层对颗粒的尾迹结构和受力情况也会产生影响。本文采用直接数值模拟方法,对近壁面固定位置的球形颗粒绕流特性进行了较为系统的研究。首先,本文对比研究了近壁面对球形颗粒尾迹的影响,通过与实验结果的对比,验证了计算的准确性。在此基础上,对近壁面球形颗粒绕流尾迹的演化过程及形成机理进行了进一步研究,发现壁面的存在抑制了球形颗粒底部的涡脱落,并且在颗粒与壁面之间的狭缝内形成了一股高速射流,该高速流体沿颗粒表面向后延伸至回流区内,改变了球形颗粒绕流的回流区形态和尾涡结构特征。通过统计流场内涡结构的分布情况,发现小尺度涡主要集中在近尾涡区,并沿下游方向尺度不断增加,且向展向扩散。通过对表面涡脱落随时间演化过程的详细分析,展示了颗粒表面剪切层从失稳、增长、脱落、拉伸到诱导二次涡形成的全过程,总结了受近壁面影响而发生改变的颗粒表面涡结构的形成和演化规律,同时对受球形颗粒作用诱导形成的平板湍流边界层拟序结构也进行了分析。其次,本文在上述细微涡结构的分布和演化特性的研究基础上,进一步考虑了真实湍流边界层入口边界条件下的近壁面颗粒绕流直接数值模拟,并研究了重要参数对流场及拟序结构的影响。通过对不同颗粒/壁面间距和颗粒雷诺数下的计算结果进行对比分析,发现颗粒/壁面间距和颗粒雷诺数对颗粒回流区的形成机理和结构形态以及边界层的拟序结构都具有重要的影响。本文将近壁颗粒的回流区分为颗粒绕流回流和壁面"补偿性"回流两部分,两者的产生机理不同,近壁颗粒下游的回流区是这两种回流共同作用的结果。颗粒/壁面间距影响了回流区的形态和分布特征,颗粒雷诺数则影响了近壁颗粒对边界层拟序结构的作用结果。随着颗粒雷诺数的增大,近壁颗粒绕流尾涡对边界层外层的影响变得更加明显,同时在流向上的作用范围也随之增大。本文通过对近壁颗粒绕流的系统性研究,揭示了不同颗粒/壁面间距及不同颗粒雷诺数下,球形颗粒影响湍流边界层特性及拟序结构的发展和演变等内在物理规律,以及在壁面限制下球形颗粒的尾涡形态、涡脱落特性和统计特征的变化,为进一步探索近壁面颗粒及颗粒群运动规律提供了研究基础。
【关键词】：湍流边界层 绕流 拟序结构 直接数值模拟
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 致谢5-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-15
• 1. 绪论15-33
• 1.1 研究背景和现状15-29
• 1.1.1 球形颗粒绕流16-21
• 1.1.2 湍流边界层21-26
• 1.1.3 湍流边界层与球形颗粒的相互作用26-29
• 1.2 目前存在的问题29-30
• 1.3 本文的研究目标和主要内容30-33
• 2. 数值方法33-45
• 2.1 湍流边界层的数值计算方法33-37
• 2.1.1 控制方程33-34
• 2.1.2 空间离散格式34-36
• 2.1.3 Poisson方程求解36
• 2.1.4 时间离散格式36-37
• 2.2 内嵌边界算法37-40
• 2.2.1 内嵌边界多重直接力算法37-38
• 2.2.2 改进的内嵌边界方法38-40
• 2.3 湍流入口边界条件40-43
• 2.3.1 常见的湍流边界层入口生成方法41-42
• 2.3.2 本文主要采用的入口边界条件42-43
• 2.4 本章小结43-45
• 3. 壁面对球形颗粒尾迹特性的影响45-79
• 3.1 大空间中的球形颗粒绕流45-49
• 3.1.1 计算参数和边界条件45
• 3.1.2 速度场分布特性45-48
• 3.1.3 尾迹涡结构的分析48-49
• 3.2 平板边界层中的球形颗粒绕流49-77
• 3.2.1 计算参数和边界条件49-53
• 3.2.2 计算结果验证53-57
• 3.2.3 平均速度场57-62
• 3.2.4 瞬时流动特性62-68
• 3.2.5 尾涡的三维形态和形成机理68-74
• 3.2.6 湍动能的分布特性74-75
• 3.2.7 边界层中的球形颗粒尾迹速度分布75-77
• 3.3 本章小结77-79
• 4. 颗粒/壁面间距对边界层中球形颗粒尾迹特性的影响79-113
• 4.1 计算参数设置79-81
• 4.2 瞬态速度分布81-82
• 4.3 平均速度分布82-88
• 4.4 脉动速度及雷诺应力88-92
• 4.5 颗粒/壁面间距对边界层积分统计量的影响92-95
• 4.6 颗粒/壁面间距对拟序结构的影响95-106
• 4.7 湍动能的产生与耗散106-112
• 4.8 本章小结112-113
• 5. 雷诺数对边界层中球形颗粒尾迹特性的影响113-149
• 5.1 计算参数设置113-114
• 5.2 瞬态速度分布114-115
• 5.3 平均速度分布115-122
• 5.4 脉动速度及雷诺应力122-127
• 5.5 雷诺数对边界层积分统计量的影响127-130
• 5.6 雷诺数对拟序结构的影响130-141
• 5.7 湍动能的产生与耗散141-148
• 5.8 本章小结148-149
• 6. 全文总结与展望149-153
• 6.1 全文总结149-150
• 6.2 本文工作的创新点150-151
• 6.3 对未来工作的展望151-153
• 参考文献153-161
• 作者简介161-162

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