气固两相平面湍流射流的直接数值模拟

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自由剪切流是一种典型的包含转捩和湍流的流动现象,而平面射流是一种比平面混合层复杂的自由剪切流.迄今为止,关于圆射流和矩形射流的研究较多,但平面射流的数值成果,尤其是对湍流研究具有指导意义的DNS数据,仍相对较少.据作者所知,该文是国内较先开展的关于气固两相平面湍流射流的DNS研究.该文的求解对象为有弱可压缩性的流场控制方程组,并采用单向耦合的方法模拟各种典型尺寸的颗粒在射流流场中的扩散行为和浓度分布规律.DNS的数值方法基于有限差分法.文中采用具有高分辨率的4阶精度的紧致差分格式离散空间导数,同时,时间步进采用低存储量要求的4阶显式Runge-Kutta格式.非物理的出口区(PML缓冲区)方法结合Thompson无反射边界条件被用于边界条件的设置.入口边界采用特征入流边界条件,并在出口边界作压力修正.数值结果揭示出的细致的流动结构证实该套数值方法是切实可行的.文中首先用DNS方法模拟了二维弱剪切自由射流中随时间发展的流场结构及典型尺寸的颗粒在流场中的运动规律.计算结果得到了以完全对称模式发展的涡量场,同时精确地捕捉到了展向涡的卷起、两涡配对及在弱剪切自由射流中出现的特殊的三涡合并现象.该文的第二部分为二维气固两相强剪切平面湍流射流的DNS研究.由于两剪切层的对称性在下游x/h=6.0处即被破坏,之后涡街完全按非对称模式发展.在两种流场中,St=1的颗粒的网络均方根颗粒数Nrms均为最大,这也证实了该种尺寸的颗粒在流场中的扩散范围最大,浓度分布最不均匀.并且,不同于弱剪切射流的是,在强剪切射流中,Nrms(St=0.1)的值比其它尺寸颗粒的Nrms值大很多[=2×Nrms(St=0.01),=3×Nrms(St=10)],作者认为这是由于所有的颗粒均已参与到涡结构的发展中.而在弱剪切射流中,始终有部分颗粒在轴线附近以直线行进的方式通过计算区域,影响了Nrms的统计结果.因此,作者认为强剪切射流中的Nrms值更有参考价值.颗粒的瞬时滑移速度(Vr)场清晰地揭示出上述各种颗粒在流场中的特殊行为,不失为一种研究颗粒的瞬时扩散性态和运动趋势的很好的定量指标.

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作者
夏钧;
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作者单位

浙江大学;

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授予单位浙江大学;
学科工程热物理
授予学位博士
导师姓名樊建人,岑可法;
年度 2002
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类流体力学;
关键词
二维气固两相; 二维气固两相; 平面湍流射流; 数值模拟; 流场模拟;

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