慣性顆粒所見亞格子流體特性及其動力學模型.pdf

1、在氣固兩相湍流中，連續(xù)相與離散相之間的相間相互作用一直就是十分復雜的問題，而在大渦模擬的框架下，亞格子尺度湍流對顆粒作用的研究更是當下離散兩相流領(lǐng)域亟待解決的熱點問題。
　　本文基于這一現(xiàn)狀，以均勻各向同性湍流為背景，對氣固兩相流動亞格子相關(guān)內(nèi)容開展了以下三個方面的研究：
　　首先，本文通過對流場直接數(shù)值模擬結(jié)果的過濾操作，獲得了亞格子流場及其對應的可求解尺度場，通過對過濾所得各分離尺度場的研究發(fā)現(xiàn)，隨著過濾寬度的增大，可求

2、解尺度場與亞格子流場的能量分別減少與增加，而兩個場的自相關(guān)以及積分時間尺度都隨著過濾寬度變大呈現(xiàn)出增加的趨勢；尤其值得關(guān)注的是，不同于全尺度場時間尺度 TE>TL的關(guān)系，亞格子場的拉氏積分時間尺度是大于歐拉時間尺度的，即δTL>δTE，二者之比β也隨著過濾寬度的增加而趨向減小至全尺度流場的比值。通過對自相關(guān)與積分時間尺度的進一步分析，可以了解到流場的小尺度結(jié)構(gòu)對拉氏的貢獻遠大于歐拉，而大尺度對歐拉的貢獻則遠大于拉氏。
　　其次，基

3、于單相流場研究的基礎(chǔ)上，本文進一步采用點源假設(shè)，對慣性顆粒所見亞格子流體的拉氏統(tǒng)計行為開展了研究，重點關(guān)注了顆粒所見各分離尺度流體的湍動能，自相關(guān)以及積分時間尺度等重要統(tǒng)計量隨顆粒慣性以及過濾參數(shù)變化的行為。通過研究發(fā)現(xiàn)，慣性顆粒所見的亞格子流體湍動能和積分時間尺度隨著顆粒St數(shù)變化呈現(xiàn)出相反的變化行為，前者隨著St數(shù)的增加先減少到最小值再增加，后者則相反。而且，二者隨慣性變化曲線中的極值所對應的St數(shù)都隨著過濾寬度的增加逐漸向著更大的

4、值移動。本文認為，上述現(xiàn)象是源于亞格子尺度流體對不同St數(shù)顆粒的運動影響不同所導致的。對于低St數(shù)的情況，顆粒的聚集將受益于小尺度渦結(jié)構(gòu)離心效應的作用；而對于較大的St數(shù)顆粒，其弛豫時間比亞格子尺度渦團大，因此亞格子尺度流體對其運動的影響將更趨于隨機化分布的作用。本文就慣性效應和過濾尺度對顆粒所見亞格子流體積分時間尺度的影響提出了經(jīng)驗公式，即在本文的計算范圍內(nèi)，采用指數(shù)分布函數(shù)進行了兩種方式的擬合。通過與眾多文獻中所提出的方案相比較，本

5、文由模擬結(jié)果所得到的慣性顆粒所見流體積分時間尺度更具合理性。
　　最后，本文詳細推導了慣性顆粒所見亞格子流體的Langevin動力學方程，并基于本文的模擬結(jié)果對模型方程中的關(guān)鍵參數(shù)進行了封閉。與以前大多數(shù)研究不同的是，在本文所建立的亞格子Langevin模型中采用了真實的慣性顆粒所見亞格子流體的湍動能與積分時間尺度，從而能夠在模型中反映出顆粒慣性與物理空間中過濾寬度對模擬結(jié)果的影響，使得模型參數(shù)的選擇更為合理。通過在流場的F-DN