慣性顆粒所見(jiàn)被動(dòng)標(biāo)量特性及其動(dòng)力學(xué)模型.pdf

1、非等溫氣固兩相流動(dòng)中，兩相之間的動(dòng)量和熱流相互作用的內(nèi)在機(jī)理和相應(yīng)預(yù)報(bào)模型的構(gòu)建，是當(dāng)前多相流動(dòng)中十分復(fù)雜、尚有待深入研究的問(wèn)題，因此，也是近年來(lái)國(guó)際多相流研究中的前沿?zé)狳c(diǎn)。
　　 基于這一現(xiàn)狀，本論文對(duì)均勻各向同性湍流中非等溫氣固兩相流動(dòng)開(kāi)展了如下三個(gè)方面的研究：
　　 首先，采用擬譜方法，開(kāi)展了在具有平均標(biāo)量梯度情況下，被動(dòng)標(biāo)量的直接數(shù)值模擬（Direct Numerical Simulation，DNS）研究，對(duì)標(biāo)

2、量的空間結(jié)構(gòu)，標(biāo)量耗散的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和其它歐拉統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行了討論。DNS的結(jié)果表明，標(biāo)量場(chǎng)在空間上的結(jié)構(gòu)為Ramp-Cliff結(jié)構(gòu)，標(biāo)量耗散率在空間分布上具有很強(qiáng)的間歇性，高強(qiáng)度的標(biāo)量耗散聚集于Cliff結(jié)構(gòu)之中；應(yīng)變作用對(duì)標(biāo)量耗散的形成起主導(dǎo)作用，渦量的直接影響較弱，然而，它通過(guò)對(duì)這些片狀結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作用，產(chǎn)生與外加平均標(biāo)量梯度方向相反的標(biāo)量梯度，來(lái)削弱平均標(biāo)量梯度的影響；此外，通過(guò)引入臨界點(diǎn)拓?fù)淅碚撨€發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度的標(biāo)量耗散主要形成于RA=

3、2√3(QA)1.5/9，QA<0，RA>0區(qū)域，其對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為unstable node/saddle/saddle，并且這一特性并不明顯依賴(lài)于標(biāo)量的Pr數(shù)。
　　 其次，在獲得標(biāo)量場(chǎng)（溫度）的空間結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí)和耗散機(jī)制的理性分析基礎(chǔ)上，對(duì)采用點(diǎn)源假設(shè)的慣性顆粒，其所見(jiàn)流體溫度的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了DNS研究，較為詳細(xì)地討論了顆粒和溫度場(chǎng)不同參數(shù)對(duì)這些統(tǒng)計(jì)特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在慣性顆粒的軌道上，顆粒所見(jiàn)的流體溫度脈動(dòng)強(qiáng)度

4、和流體溫度耗散隨著顆粒St數(shù)的變化呈現(xiàn)出完全相反的變化行為，在臨界顆粒St～1.0附近分別達(dá)到它們的最小值和最大值，基于前一部分DNS研究中揭示的標(biāo)量場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，以及顆粒數(shù)密度在流場(chǎng)中的分布特征。本文認(rèn)為，這是由于臨界顆粒容易聚集于高應(yīng)變、低渦量區(qū)域，而這些區(qū)域恰恰對(duì)應(yīng)著高耗散、低脈動(dòng)的Cliff結(jié)構(gòu)所致；顆粒軌道上所見(jiàn)的流體溫度耗散率與所見(jiàn)的應(yīng)變率和渦量之間的相關(guān)性，也隨著顆粒St數(shù)的增大而改變；此外，還首次對(duì)顆粒與流體之間的交

5、叉熱流這一新關(guān)聯(lián)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，在本文的計(jì)算參數(shù)范圍內(nèi)，它們隨顆粒St數(shù)、溫度Pr數(shù)和比熱比a都呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢(shì)；顆粒軌跡上流體溫度的自相關(guān)隨顆粒St數(shù)和Pr數(shù)增大而單調(diào)減弱，而顆粒比熱比a對(duì)其無(wú)顯著影響。
　　 最后，在PDF方法的模型架構(gòu)下，系統(tǒng)地推導(dǎo)了包含顆粒速度、顆粒溫度，以及顆粒所見(jiàn)流體速度和顆粒所見(jiàn)流體溫度的非等溫氣固兩相流的PDF控制方程，并基于Langevin隨機(jī)體系，對(duì)PDF輸運(yùn)方程進(jìn)行了封閉，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)

6、了詳細(xì)的宏觀矩方程，再通過(guò)采用局部平衡假設(shè)的Rodi近似方法，對(duì)方程進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，獲得了相應(yīng)的代數(shù)模型。在顆粒所見(jiàn)流體速度的模型中，其擴(kuò)散系數(shù)同時(shí)考慮了顆粒的“慣性效應(yīng)”、“連續(xù)性效應(yīng)”和“軌道交叉效應(yīng)”，而在顆粒所見(jiàn)流體溫度的模型中，其擴(kuò)散系數(shù)本文提出采用顆粒所見(jiàn)流體溫度的拉氏積分時(shí)間尺度。并進(jìn)一步利用前兩部分的DNS結(jié)果對(duì)相關(guān)標(biāo)量模型進(jìn)行了檢驗(yàn)和對(duì)比，其結(jié)果表明，在顆粒所見(jiàn)流體溫度的模型中，采用顆粒所見(jiàn)流體溫度的拉氏積分時(shí)間尺度作