本文關(guān)鍵詞：近壁面顆粒繞流特性的直接數(shù)值模擬研究

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【摘要】：在實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域,特別是在能源、動(dòng)力、化工等領(lǐng)域,存在著復(fù)雜的氣固兩相湍流邊界層問題。在氣固兩相邊界層流動(dòng)中,顆粒的存在會(huì)改變湍流邊界層的擬序結(jié)構(gòu)和湍流特性,同時(shí),湍流邊界層對(duì)顆粒的尾跡結(jié)構(gòu)和受力情況也會(huì)產(chǎn)生影響。本文采用直接數(shù)值模擬方法,對(duì)近壁面固定位置的球形顆粒繞流特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。首先,本文對(duì)比研究了近壁面對(duì)球形顆粒尾跡的影響,通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,對(duì)近壁面球形顆粒繞流尾跡的演化過程及形成機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)壁面的存在抑制了球形顆粒底部的渦脫落,并且在顆粒與壁面之間的狹縫內(nèi)形成了一股高速射流,該高速流體沿顆粒表面向后延伸至回流區(qū)內(nèi),改變了球形顆粒繞流的回流區(qū)形態(tài)和尾渦結(jié)構(gòu)特征。通過統(tǒng)計(jì)流場(chǎng)內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的分布情況,發(fā)現(xiàn)小尺度渦主要集中在近尾渦區(qū),并沿下游方向尺度不斷增加,且向展向擴(kuò)散。通過對(duì)表面渦脫落隨時(shí)間演化過程的詳細(xì)分析,展示了顆粒表面剪切層從失穩(wěn)、增長、脫落、拉伸到誘導(dǎo)二次渦形成的全過程,總結(jié)了受近壁面影響而發(fā)生改變的顆粒表面渦結(jié)構(gòu)的形成和演化規(guī)律,同時(shí)對(duì)受球形顆粒作用誘導(dǎo)形成的平板湍流邊界層擬序結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了分析。其次,本文在上述細(xì)微渦結(jié)構(gòu)的分布和演化特性的研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮了真實(shí)湍流邊界層入口邊界條件下的近壁面顆粒繞流直接數(shù)值模擬,并研究了重要參數(shù)對(duì)流場(chǎng)及擬序結(jié)構(gòu)的影響。通過對(duì)不同顆粒/壁面間距和顆粒雷諾數(shù)下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)顆粒/壁面間距和顆粒雷諾數(shù)對(duì)顆�；亓鲄^(qū)的形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)形態(tài)以及邊界層的擬序結(jié)構(gòu)都具有重要的影響。本文將近壁顆粒的回流區(qū)分為顆粒繞流回流和壁面"補(bǔ)償性"回流兩部分,兩者的產(chǎn)生機(jī)理不同,近壁顆粒下游的回流區(qū)是這兩種回流共同作用的結(jié)果。顆粒/壁面間距影響了回流區(qū)的形態(tài)和分布特征,顆粒雷諾數(shù)則影響了近壁顆粒對(duì)邊界層擬序結(jié)構(gòu)的作用結(jié)果。隨著顆粒雷諾數(shù)的增大,近壁顆粒繞流尾渦對(duì)邊界層外層的影響變得更加明顯,同時(shí)在流向上的作用范圍也隨之增大。本文通過對(duì)近壁顆粒繞流的系統(tǒng)性研究,揭示了不同顆粒/壁面間距及不同顆粒雷諾數(shù)下,球形顆粒影響湍流邊界層特性及擬序結(jié)構(gòu)的發(fā)展和演變等內(nèi)在物理規(guī)律,以及在壁面限制下球形顆粒的尾渦形態(tài)、渦脫落特性和統(tǒng)計(jì)特征的變化,為進(jìn)一步探索近壁面顆粒及顆粒群運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了研究基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：湍流邊界層 繞流 擬序結(jié)構(gòu) 直接數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK124
【目錄】：

• 致謝5-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-15
• 1. 緒論15-33
• 1.1 研究背景和現(xiàn)狀15-29
• 1.1.1 球形顆粒繞流16-21
• 1.1.2 湍流邊界層21-26
• 1.1.3 湍流邊界層與球形顆粒的相互作用26-29
• 1.2 目前存在的問題29-30
• 1.3 本文的研究目標(biāo)和主要內(nèi)容30-33
• 2. 數(shù)值方法33-45
• 2.1 湍流邊界層的數(shù)值計(jì)算方法33-37
• 2.1.1 控制方程33-34
• 2.1.2 空間離散格式34-36
• 2.1.3 Poisson方程求解36
• 2.1.4 時(shí)間離散格式36-37
• 2.2 內(nèi)嵌邊界算法37-40
• 2.2.1 內(nèi)嵌邊界多重直接力算法37-38
• 2.2.2 改進(jìn)的內(nèi)嵌邊界方法38-40
• 2.3 湍流入口邊界條件40-43
• 2.3.1 常見的湍流邊界層入口生成方法41-42
• 2.3.2 本文主要采用的入口邊界條件42-43
• 2.4 本章小結(jié)43-45
• 3. 壁面對(duì)球形顆粒尾跡特性的影響45-79
• 3.1 大空間中的球形顆粒繞流45-49
• 3.1.1 計(jì)算參數(shù)和邊界條件45
• 3.1.2 速度場(chǎng)分布特性45-48
• 3.1.3 尾跡渦結(jié)構(gòu)的分析48-49
• 3.2 平板邊界層中的球形顆粒繞流49-77
• 3.2.1 計(jì)算參數(shù)和邊界條件49-53
• 3.2.2 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證53-57
• 3.2.3 平均速度場(chǎng)57-62
• 3.2.4 瞬時(shí)流動(dòng)特性62-68
• 3.2.5 尾渦的三維形態(tài)和形成機(jī)理68-74
• 3.2.6 湍動(dòng)能的分布特性74-75
• 3.2.7 邊界層中的球形顆粒尾跡速度分布75-77
• 3.3 本章小結(jié)77-79
• 4. 顆粒/壁面間距對(duì)邊界層中球形顆粒尾跡特性的影響79-113
• 4.1 計(jì)算參數(shù)設(shè)置79-81
• 4.2 瞬態(tài)速度分布81-82
• 4.3 平均速度分布82-88
• 4.4 脈動(dòng)速度及雷諾應(yīng)力88-92
• 4.5 顆粒/壁面間距對(duì)邊界層積分統(tǒng)計(jì)量的影響92-95
• 4.6 顆粒/壁面間距對(duì)擬序結(jié)構(gòu)的影響95-106
• 4.7 湍動(dòng)能的產(chǎn)生與耗散106-112
• 4.8 本章小結(jié)112-113
• 5. 雷諾數(shù)對(duì)邊界層中球形顆粒尾跡特性的影響113-149
• 5.1 計(jì)算參數(shù)設(shè)置113-114
• 5.2 瞬態(tài)速度分布114-115
• 5.3 平均速度分布115-122
• 5.4 脈動(dòng)速度及雷諾應(yīng)力122-127
• 5.5 雷諾數(shù)對(duì)邊界層積分統(tǒng)計(jì)量的影響127-130
• 5.6 雷諾數(shù)對(duì)擬序結(jié)構(gòu)的影響130-141
• 5.7 湍動(dòng)能的產(chǎn)生與耗散141-148
• 5.8 本章小結(jié)148-149
• 6. 全文總結(jié)與展望149-153
• 6.1 全文總結(jié)149-150
• 6.2 本文工作的創(chuàng)新點(diǎn)150-151
• 6.3 對(duì)未來工作的展望151-153
• 參考文獻(xiàn)153-161
• 作者簡(jiǎn)介161-162

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