气固两相圆湍射流颗粒对气相湍流调制的机理分析

对空间发展的气固两相圆湍射流进行了双向耦合的大涡模拟,采用对拖拽力源项扰动进行频谱分析的方法揭示了大小颗粒对气相湍流不同调制规律的物理机制。结果表明:大颗粒的拖拽力源项扰动具有较强的低频特征,其与上游区域以大尺度涡为特征的气相低频特征一致,从而强化了气相湍流,而小颗粒却类似无特征频率的噪声,难以与气相脉动特征发生正向耦合而弱化了气相湍流。

惯性颗粒和壁湍流的相互作用:湍流调制及颗粒分布

直接数值模拟壁面湍流与惯性点粒子方法被用来研究粒子对湍流的调制机理以及粒子在湍流场中的分布。由于在壁面湍流中,内层(约为y+<100,y+为黏性尺度下的壁面垂直方向坐标)与外层(约为y+> 100)中存在着两种特征结构,即内层中的大尺度结构(large-scale structures, LSMs)与外层中的超大尺度结构(very-large-scale structures, VLSMs),这两种特征结构控制着壁面湍流的动力学过程。因此研究方向主要是探究粒子与LSMs以及VLSMs之间的相互作用:即通过研究粒子惯性效应对LSMs主导的湍流内层自维持过程来解释不同惯性的粒子导致湍流增强或减弱的原因;通过研究粒子惯性效应对VLSMs主导的湍流外层的调制,提出粒子的惯性效应导致VLSMs增强的直接与间接机理。同时,通过人为控制LSMs和VLSMs与粒子分别耦合来研究这两种特征结构的存在导致的粒子聚集与群聚行为。最后,推导了惯性粒子沉积速度的控制方程,用于分析控制粒子沉积速度的关键因素。

液固两相离心泵内固体颗粒对液相湍流调制的测试方法及机理

固液两相离心泵的性能和效率受控于泵内的两相流动规律,理解泵内的两相流动规律和磨蚀机理,对于合理设计和延长泵的使用寿命具有重要意义.以离心泵内的固液两相流为研究对象,通过搭建无搅拌固液两相流PIV测试平台,消除高速搅拌对泵内流场的影响,改进颗粒-流体的两相循环方式,提高了实验的测试精度;通过POD方法分析低固相浓度时泵的性能改善的原因,探寻固体颗粒对泵内液相湍流的调制机理.进一步补充和完善固液两相流水动力学理论体系,为指导固液两相流高效的工业应用提供理论基础.

气固两相圆湍射流中湍流调制的数值模拟

对空间发展的气固两相圆湍射流进行了双向耦合的大涡模拟,系统地给出了不同颗粒尺寸和不同气载比时颗粒相对气相圆湍射流的调制规律。结果表明:在下游区域,所有尺寸的颗粒均使气相湍流削弱,而在上游区域,颗粒对气相的调制存在临界尺寸。该临界尺寸随颗粒材料密度的增加而减少,而气载比的增加会加剧颗粒对气相的调制程度。

液固两相槽道流中湍流调制的数值研究

结合雷诺应力模型(Reynolds Stress Model,RSM)和混合模型(Mixture Model)对槽道湍流向下流动中的颗粒调制湍流问题进行了研究.该模型考虑了颗粒流的动能理论和颗粒对湍流的反馈作用.着重分析了颗粒对湍流的调制作用,以及颗粒参数变量(如颗粒密度和质量载荷)对湍流调制的影响.结果表明:(1)在颗粒抑制湍流的范围内,当颗粒密度小于载流体密度时,湍流强度的改变量与颗粒密度成反比;当颗粒密度大于载流体密度时,湍流强度的改变量与颗粒密度成正比;(2)在一定范围内,颗粒抑制湍流的能力随颗粒质量载荷增加而变强.

沙粒粒径在水平水流中对湍流调制及减阻效应的影响作用

运用基于欧拉–欧拉方法的混合欧拉多相流模型结合雷诺应力湍流模型,对较大雷诺数下的水平固液两相湍流进行了数值计算,主要考察了以Kolmogorov尺度(约为2ν/uτ)为临界值的细小沙粒颗粒在5%的固相体积分数下对湍流场的调制及其减阻效应。研究发现,无量纲颗粒直径dp+≤2的小颗粒减小了固液两相湍流的雷诺应力,并且三个方向上的速度脉动也被不同程度地削弱;而dp+=4的大颗粒使缓冲层区域的雷诺应力稍增大,在增强法向速度脉动的同时对流向脉动有抑制作用,并且值得关注的是,较大颗粒的存在导致缓冲层中的部分区域出现了流变现象。在减阻方面,较小的颗粒(dp+≤2)有大致相同的减阻表现,而大颗粒(dp+=4)已经失去了减阻性能,总体上看,在所研究的情形下微颗粒的减阻性能随着其粒径的增大而降低。

颗粒粒径和气载比改变时湍流调制的变化

采用相多普勒颗粒分析仪(PDPA)测试了两相圆湍射流速度场,研究了颗粒雷诺数较小情况下,粒径和气载比变化时颗粒对气固两相圆湍射流的湍流调制作用.实验结果表明:颗粒粒径的减小或气载比的增加均使颗粒对气相湍流度的削弱作用增强.通过无量纲化的分析,表明颗粒粒径的减小对气相湍流度的削弱程度强于气载比增加时对湍流度的削弱程度.

不同密度材料颗粒对两相湍流调制的实验

在颗粒雷诺数较小范围内,针对不同密度材料颗粒对气相湍流的调制规律进行了实验研究。采用相多普勒颗粒分析仪(PDPA)测量了气粒两相圆湍射流中气相速度和湍流度的分布,比较了相同形状、相同粒径和体积分数近似相同时玻璃微珠和聚苯乙烯颗粒分别存在时的两相射流流动的气相速度和湍流度。实验发现:不同密度材料的颗粒对气相平均速度的调制作用差别不明显,但对气相湍流度的调制作用显著不同。在近场区域,密度大的玻璃微珠对气相湍流度的增强作用高于密度小的聚苯乙烯颗粒;在远场区域,气相湍流度被削弱,并且密度大的玻璃微珠的削弱作用强于密度小的聚苯乙烯颗粒。该研究为进一步提出合理的两相湍射流的控制方法提供了理论依据和指导。

可压缩均匀湍流中颗粒对湍流调制的数值研究

本文采用欧拉-拉格朗日点源方法对颗粒调制可压缩均匀各向同性衰减湍流进行了直接数值模拟,颗粒和流场之间通过双向耦合相互作用,初始湍流马赫数达到1.2,研究了不同密度(St_0)颗粒对湍流调制的影响,轻颗粒(St_0=0.1)略微增强流体的湍动能和旋转运动;临界颗粒(St_0=1.0)也增强流体的旋转运动;而重颗粒(St_0=5.0)则会削弱流体的湍动能和旋转运动。对于流场的可压缩性,颗粒由于其惯性都会削弱可压缩性,并且颗粒越重,削弱越强。

湍流热对流调制及其机理的研究现状和展望

湍流热对流现象广泛存在于自然界和实际工程应用中,Rayleigh-Bénard(RB)系统是研究湍流热对流问题的经典模型。湍流传热的调制及其机理问题是湍流研究的重点。在经典RB系统中,上下板附近的温度边界层与系统传热关系密切,边界层内热湍流结构(羽流)的生成演化特性直接决定着系统传热效率。目前的调制策略主要通过改变上下板边界的几何型形状或改变温度边界条件来控制RB系统的对流强度,实现增强或抑制系统传热。本文主要从边界几何调制、边界温度时间调制和边界温度空间调制三个方面分别介绍和讨论了近年来有关湍流热对流调制及其机理研究方面的最新进展,并在最后提出了针对该方向的一些思考和展望。

相间力对多相流湍流调制的影响

现有文献对于粒子对湍流的调制已经进行了严格的研究,在不同的空间长度尺度上产生了湍流动能的减小或增强.然而,由于界面力的存在,对多相流中湍流调制的一般描述没有引起足够的重视.本文用解析和数值方法研究了界面和流体颗粒流的湍流调制,其中表面张力和阻力分别定义了界面相耦合.结果表明,表面张力和表面阻力在湍流动能的输运方程中是附加的产生/耗散项,这对多相流的湍流模拟特别重要.此外,我们还研究了两种类型的多相流在衰减均匀各向同性湍流中的湍流调制.结果表明,在这两种情况下,能量在大尺度上减小,而小尺度能量比单相流增强.特别是,在大尺度下,表面张力作用于湍流涡流,并阻碍了水滴从波纹界面的喷射.相反,在小尺度上,表面张力和速度波动是一致的,导致能量的增强.在流体-粒子流的情况下,粒子在小尺度上比周围流体保持更长的能量,而在大尺度上粒子并不完全遵循周围流体减少能量的规律.对于后者的效果,相当依赖于粒子斯托克斯数.

水平槽道气固两相湍流边界层的PIV测量

本文运用粒子图像速度场测量仪(PIV)对水平槽道气固两相湍流边界层进行研究。实验雷诺数为Re_γ=444,选用两种粒径分别为60μm和110μm的聚乙烯颗粒作为固相,质量载荷控制在1×10^(-3)。实验结果表明即便在较低载荷下,固相颗粒的存在仍然能比较明显地改变边界层的湍流属性以及拟序结构,而且可以发现在近壁面颗粒会削弱流向的湍流强度以及雷诺剪切应力。

重力水平与粘度变化对水平槽道泡状湍流影响的数值研究

鉴于泡状流在工业及太空领域均具有广泛的应用前景,综合研究重力及黏度变化对液相湍流的影响是必不可少的。文中采用数值模拟方法,分别研究了气泡加入后重力水平和黏度变化对液相湍流统计量和气相体积分数的影响。结果表明:在常重力下,气泡注入后湍流强度与雷诺应力被调制,绝大部分大部分气泡聚集在上壁面;而在无重力下,液相的湍流强度及雷诺应力基本不变,气泡均匀分布在槽道内。黏度对液相湍流的影响与重力相类似,不同的是无论黏度改变与否,绝大部分气泡均聚集在上壁面处。且气泡加入后重力水平及黏度变化对液相湍流的影响是由气泡对湍流的调制作用和局部黏度变化共同作用的结果。

近壁湍流和微颗粒的两相作用及减阻效应

为研究颗粒和近壁湍流的相互作用和流动阻力问题,采用点-力双向耦合模型并结合Lagrange粒子追踪法,对负载颗粒的槽道湍流进行直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS).同时,从含颗粒作用外力项的NavierStokes方程出发,推导颗粒加载湍流的阻力系数表达式.考察较低容积比下粒径小于Kolomogrov尺度的颗粒对湍流结构的调制以及湍流减阻现象,讨论颗粒尺度和数量等加载参数对阻力系数的影响,发现在本研究范围内的细微颗粒对湍流的调制以抑制作用为主,同时产生明显的减阻效应.

垂直管内固-液两相流全耦合CFD-DEM模型研究

针对传统两相流CFD-DEM模型中忽略一些次要力以及颗粒-湍流作用导致计算精度不高的问题,建立了考虑Loth升力、虚拟质量力、压力梯度力以及湍流调制等多种机制的全耦合模型,分析了进口颗粒体积分数、输送速度和颗粒直径对固-液两相流动的影响。研究结果表明,升力驱使颗粒向管道中心聚集,且Loth升力比传统Saffman和Magnus升力预测的颗粒分布更接近实验。随着进口颗粒体积分数的增加,各相的轴向速度均明显减小,同时颗粒对湍流的调制作用导致流体均方根速度降低。随着输送速度的增加,颗粒在管道中心更加聚集,而流体均方根速度快速增加。随着颗粒直径的增加,颗粒在管道中的分布更加不均匀,而对流体均方根速度的影响很小。输送速度对压降影响最大,进口颗粒体积分数次之,颗粒直径对其影响最小。

Large Eddy Simulation of Particle Wake Effect and RANS Simulation of Turbulence Modulation in Gas-Particle Flows

The turbulence enhancement by particle wake effect is studied by large eddy simulation (LES) of tur-bulent gas flows passing a single particle. The predicted time-averaged and root-mean-square fluctuation velocities behind the particle are in agreement with the Reynolds-averaged Navier-Stokes modeling results and experimental results. A semi-empirical turbulence enhancement model is proposed by the present authors based on the LES re-sults. This model is incorporated into the second-order moment two-phase turbulence model for simulating vertical gas-particle pipe flows and horizontal gas-particle channel flows. The simulation results show that compared with the model not accounting for the particle wake effect, the present model gives simulation results for the gas turbu-lence modulation in much better agreement with the experimental

90°弯管固液两相流粗颗粒磨损特性的数值模拟

采用计算流体力学(CFD)与离散单元法(DEM)相结合的方法,并将离散随机游走(DRW)模型和颗粒湍流调制模型自定义到相间耦合模型中,研究了模型中各个作用机制对弯管内磨损的影响.结果表明:考虑流体与颗粒的双向耦合作用是模拟粗颗粒两相流动和弯头磨损预测的必要条件;升力对颗粒分布及磨损有较大的影响,而其他次要力影响可忽略不计;重力施加方向不同导致最大磨损率增大20%,但磨损规律相似,最大磨损位置都在约弯头85°处;颗粒在大体积分数工况下,颗粒在弯头的局部聚集使颗粒间碰撞占主导机制,但随着体积分数降低,湍流调制对磨损预测产生一定影响.