【摘要】：顆粒流是固體顆粒的流動(dòng),顆粒流不僅廣泛存在于自然界和人們的日常生活中,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及能源和環(huán)保等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用,因此對(duì)顆粒流及其運(yùn)動(dòng)的研究具有十分重要的意義。高速氣體和固體顆粒云的相互作用是顆粒流的一個(gè)重要分支,是典型的可壓縮多相流問(wèn)題,它在天文、自然災(zāi)害、工業(yè)安全、醫(yī)療工業(yè)和國(guó)防等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。顆粒流系統(tǒng)中,大部分是基于球形顆粒的實(shí)驗(yàn),但實(shí)際上顆粒通常呈現(xiàn)非球形的特征,其中橢球形顆粒是非球形顆粒中最簡(jiǎn)單的各向異性模型粒子,因此研究橢球形顆粒具有重要意義。本文采用基于分層多相流模型的直接數(shù)值模擬方法,對(duì)平面激波與橢圓柱陣列的相互作用的前期階段進(jìn)行數(shù)值研究。采用有限體積法(Finite Volume Method,FVM)來(lái)離散控制方程,空間重構(gòu)使用3階TVD格式,基于體積分?jǐn)?shù)αg的不同,每個(gè)控制體界面可以重構(gòu)為氣-氣、固-固和氣-固三個(gè)部分,每部分用不同的通量計(jì)算方法。其中,位于氣-氣之間的面上的通量使用AUSM+-up近似黎曼解法器計(jì)算,氣-固之間的面上的通量用單側(cè)的值,固-固之間的面上的通量不計(jì)算。時(shí)間推進(jìn)采用三階龍格庫(kù)塔(Runge-Kutta)方法,氣-固界面采用滑移邊界條件。本文使用MPI并行進(jìn)行高性能計(jì)算。重點(diǎn)關(guān)注了橢圓柱橫截面的不同長(zhǎng)短軸之比λ和橢圓柱橫截面長(zhǎng)軸與來(lái)流方向所成角度θ對(duì)流場(chǎng)的影響,從氣體來(lái)流方向上的速度u,x、y軸的均方根速度u"和v"、動(dòng)能、內(nèi)能和湍動(dòng)能的分布上進(jìn)行分析,對(duì)能量在計(jì)算域的上游區(qū)域、橢圓柱陣列區(qū)域和下游區(qū)域進(jìn)行定量分析。同時(shí)關(guān)注了流場(chǎng)的總內(nèi)能、總動(dòng)能和湍動(dòng)能隨無(wú)量綱時(shí)間f的演化過(guò)程,并討論了不同情況下的流場(chǎng)壓強(qiáng)分布、流場(chǎng)密度分布和流場(chǎng)溫度分布規(guī)律。針對(duì)橢圓柱改進(jìn)了一維體積平均模型并通過(guò)擬合直接數(shù)值模擬結(jié)果的反射激波的位置和透射激波的位置尋求合適的人工有效阻力系數(shù)Cd,并探討了最優(yōu)Cd的分布規(guī)律。
【圖文】：

具有復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)。它通過(guò)在流體控制方程中加入一個(gè)力項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的物逡逑質(zhì)邊界與流體之間的相互作用，整個(gè)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算使用的是簡(jiǎn)單的笛卡爾網(wǎng)格，逡逑而不是根據(jù)物理形狀生成繁雜龐大的貼體網(wǎng)格。如圖１．１所示，這樣一來(lái)可以避免逡逑網(wǎng)格轉(zhuǎn)換等［７６］問(wèn)題。其優(yōu)勢(shì)是容易生成、計(jì)算簡(jiǎn)單，當(dāng)處理動(dòng)邊界問(wèn)題時(shí)，使用逡逑笛卡爾網(wǎng)格不需要在每個(gè)時(shí)間步重構(gòu)網(wǎng)格，從而大大減小了計(jì)算量，提高解的精確逡逑性和穩(wěn)定性。１９７２年，Ｐｅｓｋｉｎ邋［７５］提出了邋ＩＢＭ這種數(shù)值計(jì)算方法，由于心臟的血流逡逑模式與心臟瓣膜的功能密切相關(guān)，因此Ｐｅｓｋｉｎ將其應(yīng)用于模擬人類心臟瓣膜中的血逡逑流情況。１９７７年，Ｐｅｓｋｉｎ邋［７７］擴(kuò)展了前人在具有與流體相互作用的浸入邊界條件下逡逑Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程解的研宄。經(jīng)過(guò)３０多年的發(fā)展，目前ＩＢＭ已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋和逡逑船舶工程［７８］、細(xì)胞力學(xué)［７９］和物體繞流［８０］等。根據(jù)對(duì)力源項(xiàng)的處理方式的不同，逡逑浸入邊界法有反饋力法［８１］、直接力法［８２］和離散質(zhì)量和動(dòng)量力法［８３］等。逡逑ｎ邋—重逡逑圖１．１貼體網(wǎng)格和笛卡爾網(wǎng)格［７６］逡逑浸入邊界法系統(tǒng)的控制方程組［８４］具有下列形式：逡逑－＾Ａｕ邋＋邋ｕＡｕ邋＋邋Ａｐ邋＝邋Ｆ邋ｉｎ邋Ｑ．邋ｘ邋（０

１．４橢球顆粒的研究逡逑前文描述的顆粒流系統(tǒng)中，大部分是基于球形顆粒的實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際上顆粒通常逡逑呈現(xiàn)非球形的形狀特征，圖１．２為１９９１－２０１３年以來(lái)，利用離散元模擬的由非球形粒逡逑子組成的顆粒系統(tǒng)的出版物數(shù)量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)［８５］，可見(jiàn)針對(duì)非球形顆粒的研逡逑宄數(shù)量的增長(zhǎng)越來(lái)越快，學(xué)者們對(duì)非球形顆粒研宄的關(guān)注度越來(lái)越高。其中橢球形逡逑顆粒是非球形顆粒中“最簡(jiǎn)單的各向異性模型粒子”邋［８６－８９］，因此研[偼智蛐慰帕ｅ義鮮欠淺Ｖ匾�，哇E保癡故玖爍饗蛞煨粵Ｗ蛹捌湫灤擻τ茫郟梗埃藎諞┪鍤淥�、纳米辶x銑上翊釁鰲⒐庾泳搴痛呋獵靨邐榷戀確矯娑加兄匾τ謾ｅ義希掊澹玻擔(dān)板宄у巍鰣五義希桑哄義希保梗梗卞危玻埃埃插危玻埃保沖義希伲澹幔蟈義賢跡保不誒肷⒃Ｄ獾姆喬蛐瘟Ｗ涌帕Ｏ低車某靄嫖鍤克媸奔淶謀浠魘疲郟福擔(dān)蒎義轄├囪д咼嵌醞智蛐慰帕５墓刈⒃嚼叢礁�。２０１２妮彫Ｚａｓｔａｖ嶎ｙ禑崴｀P梗保菔褂緬義細(xì)慕木迪窠氡囈綬ń兄苯郵的Ｄ飫賜頻劑鞫興鬧址喬蛐慰帕５淖枇蛻義狹ο凳團(tuán)ぞ叵凳＃玻埃保的輳薜熱耍郟梗玻荻云矯婕げㄓ胨衷蒼倉(cāng)南嗷プ饔媒繡義狹聳的Ｄ�，，讨论了骄棆傔b椋悖瑁簦恚澹潁停澹螅瑁耄錚霾晃榷ㄐ緣難莼�，实褭┬鲁寧为辶x希保保

本文編號(hào)：2646231