管道内非等温及挥发性颗粒运动规律的数值研究

发布时间：2020-04-23 10:45

【摘要】：在自然界和工程应用中,非等温及挥发性颗粒两相流广泛存在,如火山喷发、森林火灾、化工过程、煤粉燃烧和生物医药。一方面,颗粒和流体的温度不同,在颗粒和流体之间产生热对流;另一方面,颗粒由惰性组分和挥发性组分构成,而且挥发性组分向流体中扩散。因此,非等温及挥发性颗粒两相流为典型的多物理场相互作用问题,而且颗粒运动及分布同时受流体流动、颗粒和流体之间的热对流和传质影响。格子Boltzmann方法,由于物理背景清晰、易于处理颗粒-流体相互作用,非常适合于非等温及挥发性颗粒两相流的求解。目前,一些学者对非等温及挥发性颗粒两相流进行了一些研究,然而,对热对流和传质对颗粒运动及分布影响的认识并不充分。因此,本文基于格子Boltzmann方法,进一步研究了非等温及挥发性颗粒两相流问题,并讨论了热对流和传质对颗粒运动及分布的影响。本文的研究工作分为以下方面:(1)发展了非等温及挥发性颗粒两相流的格子Boltzmann方法,提出了运动边界的统一迭代格式。不同于前人分别采用不同规则构造边界点和新产生流体点上未知分布函数的组合方法,我们对颗粒周围的边界点和新产生的流体点采用相同的规则处理。和前人的组合方法比较,统一迭代格式减小了分布函数之间的不一致性,提高了数值精度并抑制了虚假力振荡,而且计算效率相当。进一步,我们提出了温度和浓度边界的统一迭代格式;(2)采用格子Boltzmann方法和运动边界的统一迭代格式,研究了水平管道内非等温颗粒的横向迁移,并讨论了热对流对颗粒平衡位置的影响。由于热对流的影响,非等温颗粒的平衡位置与初始位置的关系存在一临界格拉晓夫数(Gr_c)。当Gr较小时,热对流较弱,此时,颗粒的平衡位置依赖于初始位置,而当GrGr_c时,颗粒的平衡位置与初始位置无关。对于非等温颗粒的横向迁移,我们从壁面排斥力、惯性升力、速度曲率、颗粒转动和热对流等五种机制进行了分析。进一步,我们研究了Gr_c和管道雷诺数(Re_c)的关系,随着Re_c增大,壁面对颗粒的排斥力增大,所以,Gr_c单调增大,而且两者近似呈幂函数关系;(3)研究了竖直管道内挥发性颗粒沉降过程中的传质规律,挥发性颗粒由惰性组分和挥发性组分构成。该问题中,流体流动、颗粒运动和颗粒与流体之间的传质相互影响,而且颗粒表面的浓度和颗粒质量、密度等随传质而变化。采用扩散和对流时间尺度对时间进行无量纲化,我们得到了不依赖于施密特数(Sc)的传质曲线。进一步,为了研究扩散和对流两种作用对颗粒-流体传质速率的影响,我们和静止颗粒进行了比较。对于静止颗粒,颗粒-流体传质仅受扩散作用的影响,此时,颗粒-流体传质速率的标度率近似为0.5。而对于沉降颗粒,由于对流作用增大了颗粒-流体传质界面,颗粒-流体传质速率显著提高,其标度率近似为1.5;(4)研究了竖直管道内非等温及挥发性单颗粒和颗粒群的沉降过程,分析了热对流和颗粒-流体传质共同作用对颗粒运动及分布的影响。对于单颗粒,由于颗粒和流体之间热对流和传质的影响,颗粒的运动显著不同。对于颗粒群,我们从平均沉降速度、颗粒群脉动速度、平均体浓度和体弥散度等方面讨论了热对流和传质对颗粒群运动及分布的影响。与等温及惰性颗粒群比较,非等温及挥发性颗粒群平均沉降速度更大,颗粒群脉动速度更为显著,而且颗粒分布更不均匀。我们研究了管道内非等温及挥发性颗粒的运动规律,进一步认识了热对流和传质对颗粒运动及分布的影响,对于理解颗粒-流体相互作用和指导工程应用具有重要的理论意义和工程价值,同时为后续研究奠定了基础。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O35

【参考文献】