固体火箭发动机喷管内气粒两相流动的CFD-DSMC模拟

气相采用Jameson中心差分格式和显式Runge-Kutta法求解可压缩的雷诺时均N-S方程,颗粒相采用DSMC方法描述,采用PSIC耦合算法模拟了JPL喷管中的气粒两相流动,得到了气相和颗粒相的参数分布规律。结果表明,流场中颗粒相含量越高,颗粒相对气相的阻碍和加热效应越显著,导致气相马赫数降低、温度升高;在相同颗粒含量的情况下,颗粒粒径越小,也能明显阻碍气相流动,同时对气相的加热效应也更显著;在颗粒确定性轨道模型计算下得到的无粒子区中,仍有少量非连续的颗粒存在。

k－ε－PDF两相湍流模型和台阶后方气粒两相流动的模拟

本文提出了两相湍流的ｋ－ε－ＰＤＦ模型。ＰＤＦ模型所得的湍流两相流动的统计平均方程，与雷诺时均方程有相似的形式，但ＰＤＦ模型可精确计算出颗粒相各方程的脉动关联项。本文将该模型用于预报台阶后方湍流两相流动，与ｋ－ε－ｋｐ模型相比，它可以更合理地预报出颗粒湍流的各向异性。

提升管内稠密气粒两相流动大涡模拟

本文采用双流体模型,引入颗粒动力学理论,对提升管内的稠密气粒两相流动进行了大涡模拟。采用改进的分步投影法对滤波后的方程进行显式求解,小尺度量采用Smagorinsky亚格子模式模拟。模拟结果给出的颗粒相速度分布、浓度分布与实验值基本吻合,气固两相存在速度滑移。模拟结果合理预报出了提升管内的环-核流动结构。

壁面粗糙度对水平后台阶气粒两相流动影响的PDPA实验研究

用相位多普勒颗粒测速仪(PDPA)测量了颗粒的平均与脉动速度,研究了壁面粗糙度对水平后台阶气粒两相流动的影响。研究结果表明,壁面粗糙度减小颗粒纵向平均速度,增大颗粒纵向和横向脉动速度。壁面粗糙度对流场中不同位置处颗粒运动影响的强弱不同,其中逆流区处较弱,下游处较强。壁面粗糙度对不同粒径颗粒运动影响的强弱不同,其中对细颗粒的影响较弱且被局限在壁面附近,对粗颗粒的影响较强且扩散到整个流场。

竖直槽道中稠密气粒两相流动的瞬态结构

本文采用流动显示方法对竖直槽道中稠密气粒两相流动的瞬态结构进行了研究,发现当表观气速高于管道流态化的最小临界速度但低于节涌状态向湍动状态过渡的临界速度时,槽道中没有明显的气泡出现,而是形成一条穿过颗粒密相区的气流通道。当表观气速较低时,气流通道始终偏向槽道一侧。表现气速较高时,气流通道在槽道两侧摆动。在湍动状态下,槽道中的流态和管道中的流态相似。在快速流态化情况下,当颗粒循环量在一定范围时,槽道壁面附近会出现准静止的大尺度颗粒团。

拟涡位移模型及气粒两相流动数值模拟

本文首先用离散涡方法对绕圆柱和半无限长平板的流动作了数值模拟。在讨论粒子和涡团耦合运动的基础上首次提出了粒子在流场中运动的拟涡位移模型，并对几个典型的气粒两相流动作了数值模拟。文章最后对流场中粒子运动的瞬时状态作了统计处理，得到了关于粒子在流场中分布的概率密度函数和粒子脉动速度的分布函数并用拟涡位移模型对壁面附近粒子的运动－沉积和反弹作了数值模拟。计算结果是令人满意的。

用统一二阶矩模型模拟强旋湍流气粒两相流动的初探

本文初步探索用统一二阶矩（USM）两相湍流模型及K-ε-kp模型预报旋流数为1.5的轴向-切向进风、轴向供粉的强旋气粒两相流动，预报结果与实验的对比表明，USM模型在预报强族流动两相时平均切向速度场上优于K-ε-Kp模型，并且能够合理地给出与实验定性一致的两相湍流脉动的各向异性．

气粒两相二维后台阶突扩流动的大涡模拟

对气粒两相后台阶流动,利用大涡模拟方法模拟气相场,用轨道法模拟颗粒相运动.计算中气相亚格子模式(SGS)采用了标准的Smagorinsky模式,研究了气相场大涡演变规律,并给出了速度时均统计值与实验结果的比较,吻合很好.在此基础上深入研究了不同Stokes数下颗粒的运动规律以及不同入口滑移条件下的颗粒运动规律,进一步对直径为150μm的玻璃微珠进行了模拟,得到了颗粒相速度时均统计结果,并与实验结果进行比较,吻合良好.这为细观框架下研究气粒两相相互作用规律提供了依据.

利用考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型模拟气-粒两相水平槽道流动

建立了考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型．该模型包括壁面摩擦、恢复、特别是壁面粗糙度等影响碰撞的因素,因此体现了壁面上各方向Reynolds应力之间的相互转化、湍流动能从平均运动中得到能量以及壁面对运动的衰减作用,给出了壁面粗糙度对颗粒湍流的影响．将本模型应用于气-粒两相水平槽道流动并用PDPA测量结果验证,结果表明,当前常用于颗粒相的零梯度边界条件和其他碰撞模型可能给出错误的结果,本模型则给出比较符合实际的结果．

固体微推力器气粒两相羽流场的数值模拟

采用DSMC/EPSM混合算法,结合稀薄流中气粒耦合作用模型,开展了固体微推力器羽流场中气粒两相稀薄流动的数值研究,研究了羽流场中气粒两相参数的分布规律和气相组分分离效应。结果表明,气相与颗粒相间的动量传递导致颗粒相的轴向速度显著增加,两相间的能量传递导致颗粒相的温度降低,气相对颗粒相作用显著;由于燃气中颗粒相含量较少,颗粒相对气相压强场、温度场和轴向速度场的影响并不明显;羽流场中气相组分分离效应显著,扩散效应导致分子量最小的氢气组分在壁面附近的真实分子数密度远大于其他组分,小分子量气体组分在羽流场中的高度扩散是羽流对固体微推力器壁面产生侵蚀和附着效应的主要原因。

湍流两相流动有燃烧颗粒相概率密度函数输运方程理论

由有燃烧的湍流气粒两相流动的瞬态方程和统计力学概率密度函数概念出发，推导了有燃烧颗粒相的质量－动量－能量联合概率密度函数（ＰＤＦ）输运方程，并对方程中条件期望项用梯度模拟概念进行了模拟封闭。封闭后的ＰＤＦ方程可作为建立颗粒拟流体模型方程和封闭二阶矩模型的基础，也可以通过Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ 法求解用以直接计算颗粒雷诺应力和湍流动能，以便和二阶 矩模型的结果相对照，改善二阶矩模型。

气粒两相平面湍射流拟序结构的大涡模拟

:采用 Eulerian/L agrangian方法 ,对空间发展的气粒两相平面湍射流的非定常流动过程进行了数值模拟。以Re数为 130 0 0的平面不可压缩湍射流流动为例 ,气相场采用大涡模拟 ( large- eddy simulaiton,L ES)技术 ,直接求解大尺度涡运动的 Navier- Stokes方程 ,小尺度涡采用标准 Smagorinsky亚格子模式模拟。为了示踪两相射流中气相的运动 ,同时求解了标志物的浓度输运方程。颗粒相的运动用 L agrangian方法直接求解。大涡模拟结果表明 ,在平面射流的过渡区及充分发展区存在丰富的拟序结构及其相互作用。对于稀疏两相射流 ,不同 Stokes数的颗粒运动规律和浓度分布取决于颗粒惯性和气相拟序结构的共同作用。对于 Stokes数小于 10的两相射流 ,颗粒相的瞬时浓度场分布与拟序结构密切相关 。

基于拟颗粒的气固两相曳力模型研究

为了研究气固两相流动大涡模拟中合适的曳力计算模型,本文引入拟颗粒和拟颗粒表面能的概念,通过拟颗粒表面能与外界输入能量之间的平衡关系来确定拟颗粒的粒径。根据拟颗粒粒径,得到运算量较小且考虑颗粒团聚效应的曳力计算模型。应用本文的曳力计算模型对二维竖直槽道内稠密气固两相流动进行了大涡模拟,结果表明颗粒的浓度分布具有上稀下浓,壁面附近浓中心稀及颗粒聚集等特点。这与实验结果在定性上是一致的。对气相和颗粒相的瞬时速度场进行了分析,发现气相和颗粒相速度场分布的非对称性是形成颗粒浓度分布壁面附近浓中心稀的重要原因之一。

气粒两相湍流中颗粒倾向性分布现象的研究

选取平板混合层流动大涡模拟的某一瞬态流场,获得了稳态颗粒倾向性分布现象,并跟随富集区颗粒全轨道,分析了其运动状态沿轨道的变化.发现导致倾向性分布的并轨和轨道分离两种机制。在并轨机制中,不同来源的颗粒被较强涡旋俘获,使向心力和离心力平衡而产生趋同效应,进而发生并轨.在轨道分离机制中,邻近颗粒处于垂向速度方向有较大差异流场中会发生相反偏转,从而产生轨道分离.研究还表明:这些机制只能在跟随性和惯性相对平衡的颗粒中才能发生.

炉内两相流动和煤粉燃烧的双流体-轨道模型

本文首次用双流体一轨道（连续介质－轨道ＣＴ）模型对大尺寸四角喷燃炉内气粒两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。该模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和质量变化的方程，对各子模型用ｋ－ε－ｋｐ两相湍流模型，ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ湍流燃烧模型，煤粉颗粒的水分蒸发，热解挥发和焦炭燃烧的扩散－动力模型，ＤＯ（离散坐标）辐射模型。采用了将坐标扭转一定角度的方法减小入口射流和网格斜交造成的伪扩散。编制了ＬＥＡＧＡＰ－ＦＵＲＮＡＣＥ－３程序，分别对冷态模型炉内两相流动和大尺寸炉内三维两相流动和煤粉燃烧进行了模拟，并与颗粒轨道（ＳＴ）模型的模拟结果进行了对照。采用ＰＤＰＡ对冷态模型炉内气粒两相流场进行了测量。冷态两相流动的模拟与实验结果的对比表明ＣＴ模型的模拟结果和实验符合较好，ＳＴ模型所得颗粒浓度分布和实验山入较大。热态模拟的结果给出了两相速度，气相温度，组分浓度和壁面热流分布。模拟结果定性合理。模拟结果显示在出口处由于气流旋转，有一局部高温区存在。

气粒并流上行流动中颗粒团特性的实验研究

用流动显示法和图像分析法研究了气粒并流上行流动中颗粒团的瞬态行为,通过灰度梯度识别颗粒团,由颗粒团成像的象素确定其尺寸,采用相关分析法计算颗粒团的速度。随着颗粒流量的提高和表现气速的降低,气粒并流上行流动中开始出现颗粒团,由于颗粒团与气相的相互作用,流态具有不稳定和不规则的现象.在一定操作条件下,在壁面附近出现了一些长时间停留的大尺寸颗粒团.

基于色噪声扩维方法的两相湍流PDF模型

由颗粒运动的朗之万方程出发,对流体脉动速度采用扩维方法,把色噪声转化为白噪声,再降维从而得到两个不同层次的PDF输运方程。通过对颗粒运动方程求解和高斯分布假设,解决PDF方程的封闭问题,并获得颗粒二阶矩模型。

气粒流动两相亚网格尺度动能模型的大涡模拟

目前多数两相流动的大涡模拟采用单相流动的亚网格尺度应力模型,没有考虑或者没有完整地考虑两相亚网格尺度应力间的相互作用。本文提出一种两相亚网格尺度动能模型(LES-kkp),可以完整地考虑其相互作用。将该模型用于突扩气粒两相流动的大涡模拟,同时进行统一二阶矩(USM)两相湍流模型的雷诺平均模拟(RANS)。瞬态结果显示出两相流动中的气体形成了典型的拟序结构,但颗粒流动结构完全不同于气体的,没有形成涡结构。LES-kkp和RANS-USM模拟结果实验检验表明,对时间平均速度两种模拟给出结果与实验结果吻合良好,即RANS-USM得到了LES-kkp的验证。对两相均方根脉动速度和两相脉动速度关联量,LES-k-kp的模拟结果优于RANS-USM的模拟结果。

后台阶气固两相流动的PDPA实验

为了获得后台阶气粒两相湍流的流动特征,用相位Doppler粒子动态分析仪(PDPA)对其进行了实验研究. 45 μm 颗粒速度几乎都大于相应位置上的气相速度,而脉动速度分布与气相相似,具有双峰结构.颗粒平均速度和脉动速度的分布在不同Re下是相似的,其流向脉动速度的最大值在7～8倍后台阶高度的流向距离之前,大致能够保持不变,但此后会显著减小,并在12倍后台阶高度的距离之后整个截面分布趋向均匀.随着Re的增大,颗粒相的回流区长度也逐渐变长.这些结果为认识颗粒相的流动规律以及发展和改进颗粒相数值模型提供了依据.

湍流分离流中颗粒的扩散机制

后台阶流动包含分离流重要的流动特性,采取欧拉-拉格朗日耦合算法对后台阶分离流动中颗粒扩散运动进行数值研究.气相场采取大涡模拟方法,亚格子模式基于标准的Smagorinsky模式,颗粒相运动采取轨道法模拟.计算所得气相的流向平均速度和平均脉动速度与实验结果吻合较好,验证了模型和方法的正确性.基于此,数值分析后台阶两相流动的特性以及流场涡结构的发展和演化过程.结果表明:两相流中颗粒的扩散特性既受到颗粒粒径的影响,又与颗粒和涡结构的相互作用时间有关.后台阶流场中增加结构物时,流场涡结构发生变化,即与扰动源保持一定距离后,涡数量增多,流场中颗粒分布不均匀,较多颗粒聚集在涡的外缘.