氣固兩相繞方柱流轉(zhuǎn)捩的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、鈍體繞流一直是流體力學(xué)界倍受關(guān)注的經(jīng)典問(wèn)題，人們投入了大量的精力研究這一問(wèn)題。氣固兩相繞流鈍體的現(xiàn)象在工業(yè)界和自然界中非常廣泛，越來(lái)越多的研究者把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了這一方向。氣固兩相流繞流鈍體現(xiàn)象中由于氣流繞流鈍體的不規(guī)則性，顆粒在流場(chǎng)中分布的不均勻性以及顆粒與氣流場(chǎng)的相互作用，使得研究其特性變得更為復(fù)雜。本文是針對(duì)氣固兩相繞長(zhǎng)方柱和短方柱的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行的研究，在數(shù)值計(jì)算方法上采用了精度高、計(jì)算效率高并且易于并行化的高階緊致差分格式結(jié)合虛擬

2、體的數(shù)值方法對(duì)單個(gè)方柱體的尾跡流進(jìn)行了三維的直接數(shù)值模擬。研究的重點(diǎn)是在轉(zhuǎn)換工況Re=225的情況下，純氣流繞流長(zhǎng)方柱和短方柱后尾跡流場(chǎng)中的瞬時(shí)物理量和時(shí)均物理量特性：主要對(duì)顆粒場(chǎng)則采用Lagrange方法跟蹤了Stokes數(shù)為0.01、1、5的三種顆粒，分析了顆粒的進(jìn)入對(duì)繞流尾跡中流場(chǎng)瞬時(shí)物理量和時(shí)均物理量特性的影響。 本文的主要研究結(jié)果主要包括： 在Re=225前后，流場(chǎng)繞流長(zhǎng)方柱后發(fā)生轉(zhuǎn)捩，轉(zhuǎn)捩后肚的渦結(jié)構(gòu)是由上下

3、分列相對(duì)獨(dú)立、旋轉(zhuǎn)方向相反的魚(yú)刺渦形成的渦街．這種渦街形式和圓柱繞流有很大的區(qū)別；通過(guò)進(jìn)一步分析長(zhǎng)方柱的湍動(dòng)能，譜能和平均速度分布特性，發(fā)現(xiàn)了尾跡流場(chǎng)中主要能量對(duì)應(yīng)的低振蕩頻率即為渦脫基頻；通過(guò)對(duì)流場(chǎng)基本的物理：參數(shù)(速度、渦量、阻力系數(shù)，升力系數(shù)、平均統(tǒng)計(jì)量)的分析，確定了渦脫的初始位置，回流區(qū)長(zhǎng)度和回流區(qū)的高度，發(fā)現(xiàn)回流區(qū)結(jié)束的地方流向平均速度最、大，垂直向平均速度最小，流場(chǎng)的湍流脈動(dòng)最強(qiáng)。 在顆粒加入長(zhǎng)方柱尾跡流場(chǎng)后，由于

4、同時(shí)存在著多個(gè)不同時(shí)間尺度和空間尺度的渦結(jié)構(gòu)，不同St數(shù)顆粒的響應(yīng)時(shí)間隨著空間和時(shí)間不同，發(fā)現(xiàn)了不同St數(shù)顆粒對(duì)流場(chǎng)瞬時(shí)變量和時(shí)均變量的影響也是不同的：Stokes數(shù)為0.01的小顆粒在流場(chǎng)中跟隨流場(chǎng)中渦的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，在渦的核心和邊緣分布較為均勻，對(duì)流場(chǎng)的瞬時(shí)變量和時(shí)均變量的影響不明顯；Stokes數(shù)為1的顆粒，加強(qiáng)了尾跡流場(chǎng)的阻力系數(shù)的振幅和頻率，加長(zhǎng)了渦脫落的周期，在近流場(chǎng)增加了的流向平均速度、垂直向平均速度、展向平均速度和平均湍動(dòng)能

5、，但對(duì)混合平均雷諾應(yīng)力影響不大，在遠(yuǎn)流場(chǎng)流向平均雷諾應(yīng)力沒(méi)有太大的影響，但垂直方向上的擾動(dòng)增強(qiáng)了，而混合平均雷諾應(yīng)力則減小了：Stokes數(shù)為5的中等顆粒，減弱了流場(chǎng)空氣的阻力系數(shù)振幅和頻率，加大了平均流向速度跨度，增大了垂直方向平均速度和展向平均速度，使得平均雷諾應(yīng)力的變化趨于平緩，中心線(xiàn)上的平均湍動(dòng)能被減小，而遠(yuǎn)離中心線(xiàn)的區(qū)域上的流場(chǎng)平均湍動(dòng)能增加。通過(guò)數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，繞流短方柱后的渦結(jié)構(gòu)是與球、與圓柱后的渦結(jié)構(gòu)截然不向的，其近場(chǎng)主要

6、是端面上形成的上下分列相對(duì)獨(dú)立的發(fā)卡渦，遠(yuǎn)場(chǎng)主要是由發(fā)卡渦和魚(yú)刺渦相互作用后產(chǎn)生的帶狀渦結(jié)構(gòu)組成。這種渦街形式和長(zhǎng)方柱繞流有稂大的區(qū)別；通過(guò)進(jìn)一步分析短方柱的湍動(dòng)能，譜能和平均速度分布特性，發(fā)現(xiàn)了尾跡流場(chǎng)中主要能譜對(duì)應(yīng)的低振蕩頻率比長(zhǎng)方柱的相應(yīng)頻率小了很多；通過(guò)對(duì)流場(chǎng)基本的物理參數(shù)(速度、渦量、阻力系數(shù)，升力系數(shù)、平均統(tǒng)計(jì)量)的分析，我們首次確定兩種渦相互合并的初始位置，相互作用的區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)在這個(gè)合并的區(qū)域丙垂直向平均速度最小，流場(chǎng)的

7、湍流脈動(dòng)最強(qiáng)。 短方柱尾跡流場(chǎng)顆粒加入后，流場(chǎng)中由于同時(shí)存在著兩個(gè)完全不同性質(zhì)的渦結(jié)構(gòu)，不同 St數(shù)顆粒對(duì)流場(chǎng)瞬時(shí)變量和時(shí)均交量的影響和長(zhǎng)方柱的不同：stokes數(shù)為0.01的小顆粒在流場(chǎng)中跟隨流場(chǎng)中兩種渦的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)的瞬時(shí)菱疊和時(shí)均變量的影響剛開(kāi)始就有但不明顯；Stokes數(shù)為1的顆粒，減小了尾跡流場(chǎng)的阻力系數(shù)的振幅和頻率，升力系數(shù)沒(méi)有了基頻，流向平均速度、垂直向平均速度和平均雷諾應(yīng)力減小了，而展向平均速度增加了；Stok