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三维气固两相混合层湍流拟序结构的直接数值模拟

发布时间:

第 2 2卷第 2期 2 0 年 3月 01


J OURNAL

程 oF

热 物 理 学 报
E NGI NEERI G  N THERM OP HYS CS I

V l 2 N, o. , ( 2 忍
Ma .2 1   r. 0 0

三维气固两相混合层湍流拟序结构的
直接数值模拟           
樊                建人 郑友取 岑可法
( 浙江大学热能工程研究所, 浙江 杭州 3 02 107

摘 要

本文对三维气固两相视合层箱流拟序结构进行了直接数值棋批 气相流场应用拟谱方法对 NS - 方程组进行直接

求解, 通过模拟时间 梭式的混合层流动。 分析流场失称后祸的卷起、 配对、合并及肠裂过程, 研究三维混合层油流拟序结 构的演变特低 计算胭粒场时,采用 Lg n 二 方法, ar 断 a 针对顺粒不同的S k 数, te o s 模拟了 报粒场的 瞬态分布, 并分析流
场三维大涡结构对顺检分布钓影晌 .

关.润 两相油流拟序结构;谱方法 直接数值棋l f l :顺粒扩敬
中.分鑫号: 37 0 5. 5 文,标识码 A 文t组号:05- 1 ( 0)2 21 4 23 3X 2 1 - 4- 2 0 00 0

DI RETCT  NUM ERI CAL I UL SM ATI ON N  I TURBULENT  COHERENT
S TRUCTURES  THREE- M ENS ONAL  OF  DI I GAS PARTI - CLE TW O- PHAS M I N G E  XI

F N  nR n  E G  uQ  C N  - A J - e M N Y - u  E K F i a o ea
i tu o T e aP w r  i e n, j n U i r t H nso 302, n) n i t f  r l  e E g er g Z eag  v sy agh u  07 C i s t e  h m o nn i hi n e i ,  1 ha

Abtat Dr t m r a s l i i e p yd  s d te  e n s utrs  atre src         l  a o s  l e t t y  chr t  cue i   e- ic n ei i t n  m o e u c mu o  u h o e t r n  h d es nl - l to hs mx g e i tippr NS  a os fw l ae et i ni a gs od - ae  i l r  h ae.  eut n i l f d  d cy m o as i wp in a n s  y - q i n  i r i l o e r sl d  n a  uopc a m to.  e  c s o vr x lg pr g a a a ai ad a e ui pedset l  hd T po s o f t rl , i ,  l m t n  v s g  s r e h re f  o e o n a n m g i o n au i a e te  os b t a aa zd妙 te  u t n t prl eo i mx g e, vlo fr  l s  t i y  nl e s n  h o f  l r t s a i e  y h s l i o e o l vln in l r i a o f  ay  v g  i a m m y ad  eo i caat ii o chrn s utr a a o d d T e  prl r ui s  n te  ln hrc rts  oe t  c e  l s i .  t oa d tbt n o h v v g  esc f  e t u r s t e h e r e  u m ii o f s prc s h  e n Soe nm e a s u t ui te  rni apoc. e  l i atl wt d r t ks  br r i le s g  Lgag n  rah T aa s ie i i e t f u s  m a d n h a e  a p h n ys so s  eeto prc d pro pt rs tr -ies nl  e clvr x utr . hw te  c n  tl i e i at n b he d ni al g- a o e s c e h f s  a ie  s n  e y  e m o a s e t t u s s r r Ke w r s  opae bl t  e n s utrsset l  hd d e nm r a  u t n y  d t- hs tru n chr t  c e pc a m to;  c u ei s l i o w u e o e t u ;  r e r i t  c i ao r l m

prc d pro              a ie  e i t l i sn s

1引



研究气固两相湍流拟序结构以      及顺粒在三维湍
流混合层的分布机理对能源、化工、环境等工业生

产过程有着重要的指导作用.*年来,由 于实验技 术的改进及计算机的发展,很多学者已通过实验、 分析和直接数值模拟等手段对纯气相混合层中涡系 的详细结构及其演化作了大量的研究,并获得了 可

湍流的直接数值模拟是在不引进任何湍流模式      的情况下,数值求解完整的NS - 方程组,解出不同 尺度包含脉动运动在内的瞬时速度场.它的结果可 用来检验和发展各种模型, 并为探索研究湍流的新 方法提供依据. 谱方法由 于它具有精度高、 收敛快、 准确的空间微分等特点,是目 前直接数值模拟采用 最多的 数值方法. 但由于计算机资 源的局限 性,目 前它只能计算中等Ryo s e l 数和简单几何边界的 nd 流

喜的 进展[4 但是国内 对气固两 流混 层 [] 1 。 ^ ' 外 相湍 合
的拟序结构的研究却很少有报道.

动 [。 5 尽管纯气相混 1 合层流动的 数值模拟、 实验研 究和理论分析取得较一致的结论, 但要对气固两相

收摘日 20 1- ; 翔: 00 1 5修钉日 20- - - 2 期: 00 2 8 10 荟金项目 国家重大 研究发展规划资助项目〔o 1 922 句 基础 N . 9 02- G 9 0 作者翻介, 奥建人 ( 5- , 1 7 )男,上海人,教授,博士,主要从事多相流动理论,嫩烧流体力学和数值模拟的研究 9

万方数据

工 程 热 物 理 学 报

2 2卷

湍流混合层的拟序结构的 研究,特别是气固两相湍 流混合层中湍流涡团的卷起、配对、合井和撕裂过 程,以 及顺粒分布机理作出 一个确切的动力学描述 尚 有困难,还有待于今后国内外学者进一步研究, 本文是作者研究三维气固两相湍流混合层拟序结构
所取得的初步研究结果.

( 三维扰动波;流向涡量 3 )

。 =A e (,) )  s 二 3  一2 2s( z x p / ia ) n
式中:扰动强度 A = 5展向波数。 =0 7 s . , 0 0 3 ., 6

3 数值方法
应用谱方法求解时,在流向二      方向由 于流动满 足周期性, 可选择傅立叶级数作为基函数展开,计 算时取 L =2/: } aa 为一个周期;在展向z 方向, 根据初始条件它具有周期性的 边界条件,也可用傅 立叶 拟谱方法展开,周期 L =2 s 在横向 , , 刁a ; 方向 ,考虑到扰动沿此方向衰减较快, 可在离混合 层中 心足够远的 地方作镜像延拓,使之具有周期性 ( 取了自 相当 由滑移边界条件) ,因此适合用同 样的 方法展开,本文计算时 取半个周期 L =2( y 5 实际一 个周期长应为 2 = 5)积分区域定义为 D : 几 0 ,

2 数学模型
2 荃本方程 . 1 2 . 流场控制方程 设混合层上下主流速度分 .1 1 别为U,  i 2. 1 2 >U) 流体为不可压缩牛顿流体. U( U
无量纲形式的 NS - 方程组如下:

8 F “R2  a - +' U 二 1U c 一 e  7
v. 二0 U

(l) 闭

式中F=Ux , 为总压, vI 涡量二=px , U 计算 时约定 U =U 一 2 0 特征尺度 ( 为2 0 1 U 和9 为 0 0 倍的 棍合层初始动量厚图 , enl 数.R =U0 v Ryo s d e 0 /. 0 2 . 颐粗运动方怪 本文在模拟顺粒场时, .2 1 顺 粒质量流率小于 1可以 , 假定顺粒分散相为稀相, 因 此不考虑顺粒之间的 碰撞影晌,无量纲的顺粒运动
方程描述如下:

(L) L/ L/ x  } 计 域内 0 .- y , ) ,  算区 配置点数 ,  ( 2 y (L) 2 0 ,
为I xJxK=18  2 x . 2 x  6 18 4

方程 ( 中的各个流动量在 二Y:      2 ) , 三个方向展 ,
成 Fui 级数如下: o rr e

U ,  () x 一又 t I,一又 ( x 。

E 艺


() 4

I. I 2 ,<r2 ,< 2 h l / I l , I l x/ < k / k

警一S 一) ,( V /U t

ukt x( .  (, e 城 x )p )
() 3



式中 v 是顺拉的速度, U 是顺粒所在点的流场 速度. f是 S ks阻力系数的修正因子, f= te o

I1 / I 5    12  1刀2  lx 2 k< . r 2 I </ k ,

二ktepi -  (,  ( ,         )  k x x )  ( 5 )

1 05e6, =j V aS k 数 + .RV 7 e U一 L/ t e 定义 1 O Rp . 8 d ,  s p o 内 / p顺粒的速度和位置可以通过积 雌1, 8 为: S = t
B/ O oU

F, ( 一E 艺 x 。



I lI2 2 J 2  lx 2                      k </ Il / I < / . k< k ,

f , epi -)                 ( t x( , x k ) k             ( 6 )

分 〔 式求得。 3 ) 2. 流场初始条件 初始条件由以 下几部分组成,分别描述如下: ( 双曲 1 ) 正切形速度剖面的 基本流: u =( + ) 2o+ t hy o 认 U / U ) 5 n() 2( 0 a .



( 二维扰动波为两列波之和, 2 ) 用流函数表示 劝二,=AR [ ( ep -aj ( ) je j ) ( i) , 0y x i + 2 壳( - i X        ( 2) A几【 1 P C l f ) t

式中ukt二ktf , 分别为速度 U xt 总压 (,,(,  kt ) )( ) , (,  ) , Ixt 非线性项Fxt的 其中x 二y ) = (,  ) , (, 谱, ) =( , , ,二 k ( , 3 暇 =(r /s 72 y w3 一 ) 二 k k,  i2 ) k, 2k L,  / ,  / z i 71 2k L 2k L , r v1 二 . 将方程 ( ')     ^6式代入 ( 、 ( 方程, 4( ) 1 2 ) ) 求解各 物理量的谱,然后通过逆变换求得各物理t.方程 离散时 对非线性项 f , 采用二阶精度的A a s , (t k) dm - Bs o h a ft 格式, hr 其余项采用Cak i ln r - cs 格式, n N oo 时间 步长 △ =0 2 e 5 . t .,  0 0 R =2

4结果和讨论

图1      是气相流场展向 涡量在 z =几/ 展向 4的 取实部,O( ,2 ) i ) ( 分别对应。,: 特征模态. 面上的等值线图.从图中可以较清楚地看到相邻两 Y0Y ; 的 。 气相 对应初始条件( 中的 1 ) 速度剖面扰动波的波数。 取 展向涡从卷起到第一次配对、合并的全过程. : a= .4,  l046a 满足亚谐波共振条件, 4 2 即:a =a/; 流场涡的合并是混合层厚度增加及湍流发展的主要 2 l 2

式中 扰 度表示A = 5 =08 e : 动强 l ., 0 儿 .,  1 0 R 表示

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