非常规颗粒悬浮湍槽流的双重直接数值模拟

发布时间：2020-08-13 02:33

【摘要】：颗粒悬浮流动广泛存在于工农业和自然界中。深入认识颗粒悬浮流动规律,可以为相关的工程技术提供理论指导。目前针对常规颗粒悬浮流的直接数值模拟工作已有很多,并取得了丰硕的成果,但对于颗粒形状复杂、非牛顿流体和多分散体系等复杂颗粒悬浮流的直接数值模拟工作还相对缺乏。本论文主要采使用虚拟区域方法研究这类非常规颗粒悬浮流动问题的流动机理。论文的主要工作如下:实现了分别针对宾汉流体和双分散体系颗粒悬浮流动的并行虚拟区域方法程序。针对水平槽道颗粒悬浮流问题,研究了中性悬浮非球形颗粒形状对湍槽流阻力的影响。结果表明,当长椭球越长或者扁椭球越扁时,流动的阻力越小。减阻原因是椭球形颗粒近壁面附近颗粒浓度较小且其雷诺应力项较小。非球形颗粒在近壁面区域倾向于顺着流动方向且有一正的小倾角。针对竖直槽道颗粒悬浮流问题,研究了两种弱沉降效应下非球形颗粒对湍流调制的影响。在所研究的参数范围内,萨夫曼升力使得颗粒向槽道中央区域聚集,其中球形颗粒最为明显。在较高沉降效应时,球形颗粒情形的壁面摩擦阻力最小,其原因是该情形下大尺度涡受到最强的抑制。非球形颗粒在近壁面的取向规律和中性悬浮情形相似,但在中央区域倾向于将长轴垂直于流向方向。针对竖直槽道中宾汉流体的悬浮流动问题,研究了三个宾汉数情形下颗粒湍槽流的相互作用。结果表明,宾汉流体的屈服应力能削弱湍流强度起到减阻作用,而颗粒的加入则增强壁面摩擦阻力。在较强塑性的流体中,观察到湍流转捩中时间和空间的强间歇性,颗粒的加入能明显地减弱这种间歇性并使流场湍流化。针对水平槽道双分散体系颗粒悬浮流问题,研究了颗粒尺寸和颗粒形状对悬浮流的影响。在双分散体系情况下,单一颗粒相在槽道中的浓度、脉动速度和取向分布等统计量和其对应单分散体系下的颗粒相统计量相似。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O357.5
【图文】：

示意图,血液,混合流动,和血

人体内的血液约占成人体重的８％，在血管内循环流动供养全身。血管中血液中包含了逡逑各种各样的血细胞，如红细胞、白细胞和血小板等，不同的血细胞差异明显，正常的红细胞逡逑是两面中央凹的圆饼状，白细胞是大个的球形，血小板则体积很小，形状不规则，如图１－２所逡逑示。研究血液相关的知识，对血液相关疾病的基础理论与临床实践具有指导作用。逡逑Ｔｈｅ邋ｅｌｅｍｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ｂｌｏｏｄ逡逑ｐ｜ａｓｍａ逦Ｐｌａｔｅｌｅｔｓ逦Ｒｅｄ邋ｂｌｏｏｄ邋ｃｅｌｌｓ逡逑（ａｂｏｕｔ邋５５％）逦（０，０１＞逦（ａｂｏｕｔ邋４１％）逡逑Ｗｈｉｔｅ邋ｂｌｏｏｄ逡逑ｃｅｌｌｓ邋（ａｂｏｕｔ邋４％）：邋Ｌｙｍｐｈｏｃｙｔｅ邋Ｂａｓｏｐｈｉｌ邋Ｅｏｓｉｎｏｐｈｉｌ邋Ｍｏｎｏｃｙｔｅ邋Ｎｅｕｔｒｏｐｈｉｌ逡逑图１－１血液中血浆和血细胞的混合流动示意图（图片来源Ｄｃｓｋｎ丨丨ｉｌ／Ｓｈｕｔｔｅｒｓｔｏｃｋ）。逡逑１逡逑

示意图,海上钻井平台

逦ＦＨａｒＴ逦ＡＳｓｈ；ｓｔＴｍ逦３，邋Ｆ逦＾逦３９ｅｎｔ逡逑图１－２邋（ａ）鼓泡流化床示意图；（ｂ）循环燃烧流化床示意图（图片来源Ｇｃｍｅｚ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１０）。逡逑在工业生产中，流化床技术已被广泛应用于石油、化工、冶金、能源、环保等工业领域逡逑？逦’的气相和固相加工过程。在中国，煤炭仍然是电力工业主要能源，先进的流化床技术是利逡逑用此类燃料的最佳选择。循环流化床作为一种新型的清洁煤燃烧技术，具有对燃料要求比逡逑＾交宽松和氮氧化物排放量低的优点，其可分为鼓泡流化床和循环流化床，如图１－２［１］所示。逡逑．逦对流化床的实验和数值模拟研究［２＜，为工程建立准确的预测模型和流化床设计提供理论逡逑图１－３海上钻井平台Ｔｐ：意图。逡逑２逡逑

来源,图片,示意图,示踪粒子

Ｌａｓｅｒ－Ｄｏｐｐｅｒ邋Ａｎｅｍｏｎｅｔｅｒ邋（简称ＬＤＡ，激光多普勒测速技术）系统和Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ｉｍａｇｅ逡逑Ｖｅｌｏｃｕｎｅｔｉｙ邋（简称ＰＩＶ，粒子图像测速技术）系统由于其非接触测量和高精确度的优点，被逡逑广泛应用于颗粒悬浮流实验研究领域，其实验结构示意图如图１－４１８］。逡逑Ｂａｌａｃｈａｎｄａｒ＆邋Ｅａｔｏｎ邋（２０１０）［９］总结了邋ＬＤＡ和ＰＩＶ技术在颗粒两相流中的应用。其中逡逑ＬＤＡ系统通过测量颗粒相（大示踪粒子）和流体相（小示踪粒子）的多普勒信号，由于前者逡逑的多普勒信号要比后者强很多，使得系统可以很好地区分两相。这在气相湍流中得到了广逡逑泛的应用。Ｔｓｕｊｉｅｔａｌ．邋（１９８４）【１３］实验观察得到竖直管道内气固两相流，认为大颗粒增逡逑强湍流强度而小颗粒削弱湍流强度，原因是大颗粒不能很好地跟随流体，从而改变了流体逡逑的动量。ＰＩＶ系统突破了邋ＬＤＡ空间单点测量的局限性，它实现了在同一成像区域（一个平逡逑面或者一个小三维空间）内同时测量两相的速度，适用范围更为广泛。逡逑＜．Ｋ＼邋１＊１、逦ｆ逡逑ｖ＇＋ｉ邋ｒ＋（＜逦一Ｗ邋ＩＳ：９＇邋．邋NBｒ”逦ｌ？＾ｊ逡逑ｉ逦ｖ＼逦？逡逑Ｉ逦＊逦：．逦…，逡逑＜邋＊？

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