固液两相流运动机理研究及两相流模型在工程中的应用

发布时间：2019-11-18 20:30

【摘要】：固液两相流问题广泛存在于水利、环境、能源和化工等领域中,最典型的如水利工程中水沙运动及河床冲淤变化、环境工程中的污染物排放等。对水利工程中的涉沙问题及环境工程中的污染物排放问题的研究有助于了解泥沙运动规律和污染物扩散输移规律,可以更好的预测沙床形变趋势和污染物分布规律。本文采用实验室试验、数值模拟和理论分析相结合的方法对水流冲刷沙床、含沙射流及扩散器污染物排放等典型固液两相流动问题进行精细化研究。全文主要探讨了如下几个方面的问题： 1、详细介绍了欧拉(Eulerian)双流体模型和混合(Mixture)双流体模型。其中Eulerian双流体模型假设沙相为充满整个流场的连续介质,分别对每一相求解一组连续性方程和动量方程,水-沙两相间的作用通过相间动量交换体现,采用改进的两相紊流模型耦合Eulerian双流体模型。而Mixture模型是一种简化的双流体模型,它假定在微小空间尺度上局部平衡,来求解混合相的动量、连续性和能量方程,以及第二相的体积分率、滑移速度和漂移速度,采用改进后的标准k-ε流模型耦合Mixture模型。 2、对剖面二维淹没垂向射流冲刷进行实验室试验研究,分析研究了冲刷水深、射流初始流速对冲刷坑形态的影响,发现了垂向射流冲刷坑形态的自相似性规律,运用量纲分析法和回归分析法推导出了静态平衡和动态平衡两种状态下的冲刷坑最大冲深的半经验公式,并且给出了冲刷坑其它特征长度与最大冲深关系的表达式。 3、采用Eulerian双流体模型对二维垂向淹没射流、二维平壁淹没射流作用下的无粘性沙床冲刷及坝前冲刷漏斗形成过程进行数值模拟。分别针对轴对称垂向淹没射流试验和剖面二维垂向淹没射流试验进行数值计算,冲坑剖面形态的计算结果与试验结果吻合较好。分析结果表明：不同冲刷强度下射流水体速度场具有不同的特征；沙粒受水体作用力、重力和沙粒间的摩擦力的综合作用,在沙粒的密度、直径、孔隙度等参数均相同的条件下,水体作用力决定沙粒的运动方式,从而影响冲坑的最终形态；孔隙度是影响冲坑形态的重要因素,随着孔隙度的增加,孔隙水的流速增大,冲坑深度增加。对二维平壁射流冲刷沙床过程进行数值计算,计算结果与试验结果吻合较好。合理阐释了动态冲刷结果与静态结果之间产生差异的原因；采用分步计算的方法解决了因颗粒-紊流相互作用参数化不完全及水流调整滞后与床面形变引起的沙丘堆积失真问题。对坝前冲刷漏斗形态产生过程进行三维数值模拟,计算结果与试验数据吻合较好。密度弗氏数Fo是造成漏斗冲刷坑变化的最主要因素,最大冲刷坑深度、长度和宽度分别与密度弗氏数Fo成线性关系；冲坑深度Dc和冲坑半宽Wr沿冲刷漏斗中心线按一定规律变化,不同横断面上的冲坑深度D变化呈高斯分布,满足自相似性规律：在漏斗出口附近,水流流速分布呈源汇状,各方位角θ断面上的水流相互对冲作用及边壁、沙层对水流的阻碍作用产生的综合效应导致在近沙层表面形成涡旋；在沙粒的密度、直径、孔隙度等参数均相同的条件下,孔隙水体中与外界的交换水是造成沙粒运动的主要因素。 4、采用Mixture双流体模型对静止均匀环境中垂向含沙射流及颗粒运动进行了数值模拟。计算结果与试验资料吻合较好。进而在模型试验验证的基础上,分析了水相和沙相的流场特征,研究了射流出口水力参数和几何参数对射流范围的影响。分析结果表明：含沙水流初始速度越大,向射流轴线四周传播的范围越小；含沙射流受环境水体影响越小(St越大),紊动能k和紊动能耗散率ε在射流轴线附近分布越集中,衰减速度相对越快。对于不同的斯托克斯数St,含沙射流充分发展后不同x断面上的浓度和速度分布满足自相似性；沙粒流速沿射流轴线衰减程度小于水流流速沿射流轴线衰减程度,射流轴线颗粒流速满足自相似性。沙粒形态分布与斯托克斯数St紧密相关,当斯托克斯数St较小时(St=0.39),相对流速较小且分布均匀,表示沙粒与水流几乎是同步扩散；当斯托克斯数St相对比较大时(St=3.08),只有少数颗粒在径向上有较大相对流速,而大多数颗粒都是沿射流方向高速运动,表明大多数颗粒几乎不在径向上发生扩散,而是沿射流方向做直线高速流动。 5、采用Eulerian双流体模型对静止均匀环境中逆向含沙射流及沙粒沉积进行了数值模拟。计算结果与试验结果基本吻合。进而在模型试验验证的基础上,分析了水相和沙相的流场特征。分析结果表明：逆向含沙射流初始速度越大,向射流轴线四周传播的范围越广；紊动能k和紊动能耗散率ε在射流出口后急剧下降,其衰减速度大于流速的沿程衰减速度,而后达一个较小的定值；对于不同的密度弗氏数Fo,沉沙形态满足自相似性,水沙相流速、密度差和湍动能沿射流轴线变化趋势一致,并满足自相似性；沙粒流速沿轴线衰减程度大于水流流速沿射流轴线衰减程度,泥沙颗粒的沉降速度越大,颗粒向射流轴线四周传播的范围越小。 6、利用Mixture模型对三维不可压缩两相流动进行数值计算来研究近海横流环境中的多孔扩散器排放污染物问题。对不同水流弗氏数F条件下的两种典型扩散器排放污染物模式进行数值计算,研究污染物的分布和流动特性。计算结果与试验数据吻合良好。进而在模型试验验证的基础上,分析了水相和污染相的流动特征,研究了扩散器排布方式对污染物稀释度、污染物分布的影响。分析结果表明：在窄扩散器条件下,康达效应明显,出现了类分叉现象,扩散器射流马蹄形结构发展迅速呈扁平状,基于浓度的射流轨迹线要滞后于基于流速的射流轨迹线；在宽扩散器条件下,康达效应不明显,出现分叉现象,扩散器射流马蹄形结构发展缓慢呈椭圆状,基于浓度的射流轨迹线与基于流速的射流轨迹线基本一致；在扩散器处纵向平面(y=0.304)上的紊动能k和紊动能耗散率ε自扩散器出口经历了先下降再上升最后趋于一个定值的沿程变化过程,其中在下降阶段,窄扩散器条件下的沿程衰减速度大于宽扩散器条件下的衰减速度,当污染物临近水面时,紊动能和耗散率上升,在水面处达最大值。
【图文】：

紊动射流,分区图

起始段I过渡段丨主体段图1-1紊"动射流分区图1.3.1.3紊动射流的分析方法对紊流射流的研宄，主要在于确定射流轴线的轨迹、射流扩展的范围和射流轴线流速的分布（余常昭，1993)。而对于变密度、非等温和挟有污染物的射流还要考虑密度分布、温度分布和污染物浓度分布。对于这类紊动射流问题的分析方法主要有(董志勇，1997):第一，依托实验室试验，采用量纲分析整理试验资料，拟合经验或半经验关系式。这种以试验为基础的分析方法经验性比较大，但对于复杂的紊动射流问题，不失为一种有效可行的方法。第二，通过理论分析方法研宄紊动射流，通过求解射流边界层偏微分方程

试验装置图,试验装置,水槽

试验在长、宽、高分别为0.91m、0.3m、0.5m的玻璃水槽中进行（图3-1),在水槽底部铺设非粘性均匀沙层，沙粒粒径为Z)=2mm,沙密度为2650kg/m3。以水槽底高程为基准，初始沙层厚度为0.09ni，，水深为0.24m。水槽除自由液面夕卜，其它边壁均为不透水壁面，其中水槽四周为有机玻璃，便于观察试验现象。为了保持试验水槽内的水深不变，维持静水状态，在水槽与上下游衔接处设置溢流堰。试验用水为水库的静置自来水。在孔口宽度一定的情况下，通过调节流量阀来控制射流流速，孔口流速为t/。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O359;TV14

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