顆粒懸浮湍槽流的雙重直接數值模擬研究

《顆粒懸浮湍槽流的雙重直接數值模擬研究》是依託浙江大學，由余釗聖擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：顆粒懸浮湍槽流的雙重直接數值模擬研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：余釗聖
• 項目類別：面上項目

項目摘要

顆粒懸浮湍流在自然界和各種工業套用中普遍存在，了解顆粒懸浮湍流的動力學機理以及建立準確的預測模型對於提高相關工業設備的運行效率具有極大的意義。本項目擬採用虛擬區域方法對顆粒懸浮湍槽流進行雙重直接數值模擬（輔以一定的實驗驗證和補充），研究在不同控制參數（包括雷諾數、顆粒濃度、顆粒無量綱尺寸、密度比、沉降係數、顆粒形狀以及流體非牛頓特性等）情況下顆粒對湍流平均速度、脈動速度統計量（包括機率密度分布、湍動能和雷諾應力各分量）、雷諾應力方程中的各項、脈動渦量和渦結構等物理量的影響以及顆粒在湍流中的運動和分布規律，試圖解決有關顆粒和湍槽流相互作用的一些尚未解決（或研究）的機理性問題，並為建立更準確的工程多相流模型提供依據。利用大規模的並行計算，本項目擬研究的雷諾數和顆粒數將遠超已有雙重直接數值模擬工作中的記錄。

結題摘要

顆粒懸浮湍流在自然界和各種工業套用中普遍存在，了解顆粒懸浮湍流的動力學機理以及建立準確的預測模型對於提高相關工業設備的運行效率具有極大的意義。本項目採用虛擬區域方法對顆粒懸浮湍槽流進行了雙重直接數值模擬，研究了在不同控制參數（包括密度比、顆粒形狀、流體非牛頓特性、雷諾數、顆粒濃度、顆粒無量綱尺寸、沉降係數等）情況下顆粒對湍流的影響以及顆粒在湍流中的運動和分布規律。重要的發現包括：1）隨著顆粒-流體密度比增加，流動阻力先增加然後減小到和單相流相當，在密度比為10的量級時阻力最大；當密度比為10量級時顆粒濃度分布是不均勻的，槽道中心區域大而近壁區小，該現象由湍泳和顆粒碰撞共同作用導致；2）中性懸浮顆粒會加強方管湍流的平均二次流，在平均二次流影響下顆粒聚集於方管角落；重顆粒的沉降會導致平均二次流出現一對大的渦對，該渦對使得主流的最大速度出現在下半槽道，另外平均二次流使得沉降到底部的顆粒集聚在下壁面的中心區域；3）在固定顆粒體積分數和單顆粒體積的情況下，球形顆粒流動阻力最大，隨著形狀越偏離球形，流動阻力越小，在長寬比為1/3（扁橢球）和8時（長橢球），出現減阻；4）賓漢流體阻力係數比牛頓流體的略小，儘管賓漢流體的屈服應力增加了流體阻力，但同時也削弱了湍流和流體雷諾應力，使得阻力減小；Saffman升力對非中性懸浮顆粒的濃度分布起主導作用。作為計畫外的工作，本項目還研究了一非對稱物體在振盪流場中的動力學特性以及DLD分離裝置中顆粒變形對臨界分離尺寸的影響。