本文關(guān)鍵詞：基于并行虛擬區(qū)域方法的顆粒懸浮流直接數(shù)值模擬研究

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【摘要】：顆粒懸浮流動廣泛存在于自然界和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中,深入研究其流動機(jī)理,一方面可以幫助人們增進(jìn)對自然界的認(rèn)識,同時也可以為相關(guān)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。對于顆粒懸浮流動的研究,一直是流體力學(xué)中的一個研究熱點,但是由于兩相流動的復(fù)雜性,至今對其中顆粒和湍流的相互作用規(guī)律知之甚少。近年來發(fā)展起來的直接數(shù)值模擬方法原理上能夠精確計算所有顆粒上的流體作用力,是研究顆粒和湍流相互作用機(jī)理的有力工具,也得到越來越多的研究者的關(guān)注。但是直接數(shù)值模擬的計算量非常大,傳統(tǒng)的串行計算已經(jīng)很難滿足其需求。本論文研究目的是實現(xiàn)直接數(shù)值模擬方法之一的虛擬區(qū)域法的并行計算,并采用該并行方法揭示槽流和方管流中顆粒和湍流的部分相互作用機(jī)理。對于虛擬區(qū)域方法的并行實現(xiàn),本文基于固定的均勻網(wǎng)格,采用區(qū)域分解作為并行策略。分解后的流動子問題采用多重網(wǎng)格法迭代求解,顆粒子問題通過引入鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)顆粒信息的數(shù)據(jù)交換,驗證算例表明新的并行虛擬區(qū)域方法具有很高的并行效率。對于槽道中的顆粒懸浮流動問題,本文首先研究了有限體積球形顆粒的慣性(密度)對湍流調(diào)制的影響。結(jié)果表明,在本文所研究的參數(shù)范圍(p=1-1042)之內(nèi),隨著顆粒密度的增加,流動的阻力先增加后減少。在大密度的條件下,流動的發(fā)展階段可以觀察到明顯的減阻現(xiàn)象。同時,大密度的顆粒明顯削弱了槽道中間區(qū)域的湍流強(qiáng)度以及大尺度的發(fā)夾渦。其次,本文研究了不同長寬比的橢球形顆粒對湍槽流的影響。結(jié)果表明,在本文所研究的參數(shù)范圍之內(nèi),橢球形顆粒對湍流的影響與同體積的球形顆�；疽恢�。盡管結(jié)果沒有顯示橢球形顆粒的減阻效應(yīng),但是流動阻力隨顆粒長寬比增加而減少。對于方管中的顆粒懸浮流動問題,本文首先研究了不同體積分?jǐn)?shù)下中性懸浮顆粒對方管湍流的影響。結(jié)果表明,隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加,方管的平均二次流得到增強(qiáng),且其中心位置向方管橫截面中心靠近。通過對平均渦量方程的分析表明,顆粒增強(qiáng)了壁面附近的雷諾法向應(yīng)力差,從而導(dǎo)致了平均二次流的增強(qiáng)。同時,顆粒減少了流體的流量以及湍動能。另外,在方管角落區(qū)域,可以觀察到顆粒聚集的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象可能與顆粒湍泳(turbophoresis)以及平均二次流相關(guān)。其次,本文還研究了顆粒沉降情況下方管湍流的變化。結(jié)果表明,在顆粒沉降方向上,平均二次流的對稱性消失,最底層的渦由于受顆粒沉積層阻礙而削弱,之上第二和第四個渦得到增強(qiáng)并相連合并,導(dǎo)致形成沿方管截面中心線而下,沿兩側(cè)壁面而上的更大尺度環(huán)流。該環(huán)流較強(qiáng)影響了流向平均速度的分布,導(dǎo)致最大速度出現(xiàn)在下半管道。最后,顆粒沉積聚集在方管底部中間區(qū)域以及兩邊的角落。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O35

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本文編號：1263283