自由汇流旋涡多相耦合输运演变机理

含自由液面的汇流旋涡抽吸演变中存在多相耦合、物质传输、能量剧烈交换等物理过程,其中所涉及的多相流体耦合输运机理是具有高度非线性特征的复杂动力学问题,多相黏滞耦合输运动力学建模与数值求解具有较高难度.针对上述问题,提出一种含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运建模与求解方法.基于水平集-流体体积耦合(CLSVOF)计算方法,结合连续表面张力模型和可实现(k-ε)湍流模型,建立含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运动力学模型;利用一种有效的体积修正方案来计算高速旋转多相流,保证流场质量守恒和无散度的速度场;结合相间耦合求解策略对多相流体分布与多相界面进行精确追踪.基于旋流场多特征物理变量,得到多相耦合界面动态演变与跨尺度涡团输运规律,揭示了多相耦合输运过程与压力脉动特性之间的相互作用机理.研究结果表明:多相耦合输运过程是流体介质过渡的关键状态,旋涡微团受到不同时空扰动模式在界面处形成层层螺纹波形;旋涡多相耦合输运过程随着水口尺度增大而增强,且耦合能量激波引起非线性压力脉动现象.研究结果可为旋涡输运机理、涡团跨尺度求解、流型追踪等方面的研究提供有益借鉴.

自由汇流旋涡Ekman抽吸演化机理

自由汇流旋涡形成过程中有抽吸现象发生,是一个比较复杂的气液两相耦合过程,其中所涉及的Ekman层耦合及演化机理具有重要的科研价值与实际意义.针对上述问题,提出了一种自由汇流旋涡Ekman抽吸演化机理建模与分析方法.基于多相流体体积VOF模型与湍动能—耗散(k-ε)模型,建立了面向汇流旋涡Ekman抽吸演化的两相动力学模型.基于上述模型,分析初始转动速度分量、排流量与Ekman抽吸过程的内在联系,并揭示相关流场分布规律.研究结果表明:初始扰动不同,汇流旋涡的吸气孔、抽气孔距离容器底面边界的高度保持不变;初始扰动加强,吸气阶段转速增加,Ekman边界层厚度及抽吸高度增加,抽吸、贯穿阶段Ekman抽吸现象减弱;初始扰动恒定,Ekman抽吸高度保持不变,与排流量变化无关.研究结果可为自由汇流旋涡形成机理方面的研究提供有益参考,也可为冶金、化工领域的旋涡抑制控制提供技术支持.