速度滑移条件下气体-微颗粒两相流动数值模拟研究

发布时间：2021-04-07 14:15

　　基于欧拉-拉格朗日方法构建了气体-微颗粒两相流动数值计算模型,采用考虑速度滑移的拖曳力系数关联式以研究微颗粒表面动量非平衡效应。在此基础上,分析速度滑移、斯托克斯数（St）对微颗粒在受限空间中运动轨迹的影响规律。研究结果表明:速度滑移对颗粒运动轨迹影响明显,其运动过程明显滞后于常规颗粒运动;St较小时,颗粒能及时响应流场变化,可较好地跟随流体运动,随St增大,颗粒运动受自身惯性影响愈加明显。 

【文章来源】：热科学与技术. 2019,18(05)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

图１计算物理模型Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｏｄｅｌ

，通常可认为流动处于速度滑移区［９－１０］。基于此模型与方法，将Ｎ－Ｓ方程与颗粒运动方程相结合，对气粒两相流流动进行模拟。本文研究颗粒数目相对较少，可忽略颗粒间碰撞引起颗粒运动的改变，颗粒与壁面的碰撞采用Ｙａｍａｍｏｔｏ等［１３］提出的处理方法，恢复系数取为０．９。同时由于颗粒所占总体积较小（小于０．１％），因此计算过程中可忽略微颗粒对流场作用，仅考虑气相流场对微颗粒的影响。２网格及模型验证数值模型中计算网格如图２所示，采用四边形网格对气体流动区域进行划分，为更精确地描述圆柱周围速度场变化以及颗粒－圆柱壁碰撞过程，模型在圆柱壁周围采用加密网格处理。在此基础上进行了网格无关性检验，表１给出了Ｒｅ＝４３．５０时不同网格划分下得到的圆柱阻力系数。从表１中可以看出，网格３与网格４计算得到的结果误差仅为０．０１０％，综合考虑计算精度与速度，选用网格３为本文计算网格。图２网格划分方案Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍｅｏｆｍｅｓｈ表１网格无关性检验Ｔａｂ．１Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｇｒｉｄ－ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ序号网格数／个ＣＤ相对误差／％网格１４８００１２．０９３０．１７２网格２８４００１２．０９６０．１４４网格３１０８００１２．１１４０．０１０网格４１６０００１２．１１５０．０００为验证本文所建数值模型可靠性，首先模拟了无限大空间二维气体圆柱绕流过程，并将计算得到的圆柱表面拖曳力系数ＣＤ，ｃｙｌｉｎｄｅｒ与文献［１４－１５］所得

过程。从图３（ｂ）中可以看出，本文所得结果与文献［１６］结果相符，因此本文采用的拉格朗日法追踪颗粒计算结果准确可信。（ａ）圆柱绕流阻力系数对比（ｂ）单颗粒沉降过程图３数值模型验证Ｆｉｇ．３Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ３结果与讨论颗粒在气体中运动时，颗粒与气相流场间存在动量交换，为表征颗粒对流场变化的响应特性，通常引入无量纲参数Ｓｔｏｋｅｓ数进行描述，其定义为颗粒气动力响应时间τｐ与流体特征时间τｆ的比值：Ｓｔ＝τｐτｆ（１０）其中颗粒气动力响应时间τｐ可表示为τｐ＝ρＰＤ２Ｐ１８μ（１１）τｆ为流体流动特征时间，本文中取为圆柱直径Ｄｃ与进口速度ｕｉｎ比值，即τｆ＝Ｄｃｕｉｎ（１２）因此Ｓｔ可表示为Ｓｔ＝ρＰＤ２Ｐｕｉｎ１８μＤｃ（１３）３．１Ｋｎ影响首先研究了微颗粒表面速度滑移对其运动轨迹的影响。为确保Ｋｎ＝０．００１与０．０１０两种情况下颗粒Ｓｔ相同。Ｋｎ＝０．００１条件下，通道长度Ｌ＝１３．６００ｍｍ、高度Ｈ＝２．０４０ｍｍ、圆柱直径ＤＣ＝０．６８０ｍｍ，对气体进口速度１．００ｍ／ｓ，直径０．０６８ｍｍ颗粒的运动进行计算。Ｋｎ＝０．０１０条件下，通道长度Ｌ＝１．３６０ｍｍ、高度Ｈ＝０．２０４ｍｍ、圆柱直径ＤＣ＝０．０６８ｍｍ，对气体进口速度１０．００ｍ／ｓ，直径６．８００μｍ颗粒的运动进行计算。颗粒均由通道上部０．３５ＤＣ

【参考文献】：
期刊论文
[1]滑移区气体-颗粒流动与传热特性研究[J]. 刘振宇,周俊,吴慧英.  热科学与技术. 2017(05)
[2]微通道内滑移区气体-颗粒流动传热数值模拟[J]. 周俊,刘振宇,吴慧英.  工程热物理学报. 2017(03)
[3]微喷颗粒与气体混合过程的数值模拟研究[J]. 王裴,孙海权,邵建立,秦承森,李欣竹.  物理学报. 2012(23)



本文编号：3123645