颗粒两相流动的流场特性研究

发布时间：2020-10-14 10:46

　　 水流中泥沙污染物的沉降,大气中粉尘、烟雾的运动等都伴随着颗粒沉降等复杂的动力学问题,研究颗粒沉降的机理对河道的清洁,粉尘颗粒污染物的收集、大气污染物的治理等具有重要的意义。目前针对颗粒沉降的研究主要采用数值模拟的方法,而实验方法研究颗粒沉降是比较直观、准确的研究手段。随着粒子图像测速技术(Particle Imagine Velocimetry,PIV)的不断完善,为观察流体中颗粒物的运动提供了一个更加精确的研究方法,该方法克服了单点测试的局限性,不仅可以测量平面二维流场,而且还是一种无扰动的测量方法。本论文采用PIV实验方法来研究颗粒沉降过程中颗粒的运动规律和颗粒运动对周围流体扰动引起的流场特性,并且采用改进的光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)数值模拟方法来模拟颗粒沉降的过程,将实验与模拟的结果进行了对比。论文的主要工作如下:(1)对粒子图像测速技术(PIV)及相关实验仪器进行了设计和组装,首先进行了验证性实验,与学者们的研究结果进行对比,验证了本文实验设置的准确性与可靠性。对在重力作用下单个颗粒在通道中的沉降过程进行实验。实验中设置了三种颗粒释放位置,研究在同一雷诺数(Re)下,不同的释放位置对颗粒沉降流场特性的影响;通过改变流体介质的密度和粘性,设置三组不同的Re,研究相同位置不同的Re情况下颗粒沉降的过程。通过实验得出了颗粒的位置、密度和粘度等对颗粒沉降的轨迹、速度场及偏移位移的影响。(2)增加沉降颗粒的数目,对双颗粒的沉降过程进行实验。实验设置三种不同的沉降位置,即两颗粒在等高不对称位置、等高对称位置和不等高对称三个位置释放。研究两个颗粒沉降过程的流场特性,并将实验的结果与单个颗粒沉降时的轨迹进行对比,得出颗粒在沉降的过程中除壁面效应对颗粒沉降的影响外,颗粒与颗粒之间的相互作用对颗粒沉降轨迹的影响也比较大。在实验过程中出现了双颗粒沉降中经典的DKT现象,即拖拽(drafing)、接触(kissing)与翻转(tumbling)现象。(3)采用相似理论和改进的SPH数值模拟方法对设置的实验情况进行模拟。改进的SPH方法采用了一种新的液固耦合模型,消除了粒子属性差异引起的数值震荡,采用了改进的耦合动力边界处理方法,提高了边界粒子插值精度。对单颗粒在不同位置与不同Re下的情况与双颗粒三种不同位置的沉降过程进行模拟,得到颗粒沉降的速度云图与速度矢量图等,将得到的颗粒沉降的模拟结果与实验结果进行对比,结果基本吻合。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O359
【部分图文】：

2.4 高分辨率（a）和低分辨率（b）下测量位置侧面照射进入，光束被沉降粒子阻挡，在球体示。球体粒子的位置是通过球体粒子的最上方 滤波器，减小球体的模糊运动，设立一个合适 方向的位置可以以像素的精度确定（图 2.6（d部和后面的向量从图片中移除。如图 2.5（b）

图 2.4 高分辨率（a）和低分辨率（b）下测量位置4 图像处理方法因为激光束从容器侧面照射进入，光束被沉降粒子阻挡，在球体的后面没有流速量如图 2.5（a）所示。球体粒子的位置是通过球体粒子的最上方确定的，通过使保护的 Kuwahara 滤波器，减小球体的模糊运动，设立一个合适的阈值，经过滤后，球体粒子在 y 方向的位置可以以像素的精度确定（图 2.6（d））。确定了粒子之后，球体粒子内部和后面的向量从图片中移除。如图 2.5（b）（c）所示

图 2.6 PIV 记录 Re=15 (b)经过 Kuwahara-滤波后的部分记录(c)设置阀值后的结果 (d)粒子后部放大图对于大于 0.5 像素的位移，精度约为 0.1 像素，导致最高速度的相对 0.5 像素的粒子位移的相对误差约为 17%。移去球体粒子内部和后片大约有 10 个向量是非真的。这约占向量总数的 1%，与紊流流场的是比较低的。由于流体在球体的中心平面上是层流的，实际上是二维致平面外的运动，因此，平面外矢量影响较小。差分析及可行性分析分析误差分析分为系统误差和随机误差，通过以上关于 PIV 实验原理及方，PIV 实验过程中，选择合适的脉冲时间间隔 Δt 和合适的询问区是至
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本文编号：2840568