水利工程论文-流速梯度对悬浮颗粒脉动强度的影响.doc

水利工程论文流速梯度对悬浮颗粒脉动强度的影响摘要从简化的颗粒运动方程出发,分析了在剪切流场中颗粒脉动强度和流体脉动强度之间的关系。结果表明,由于纵向时均流速的垂线分布梯度的作用,颗粒在两个方向上的脉动强度均可能超过相应的流体脉动强度。关键词流速梯度STOKES数脉动强度1引言对于细小悬浮颗粒在恒定、均匀、各向同性紊动流场中的运动,理论分析和试验量测都表明颗粒的脉动强度总是小于相应流体的脉动强度，而且随颗粒STOKES数（STOKES数定义为ΑΩE/Β,ΩE和Β分别是紊动场含能漩涡的特征频率和颗粒的反应频率）的增大，颗粒脉动强度将减小；当Α足够大时,颗粒的脉动强度将趋于零1,2。随着LDVLASERDOPPLERVELOCIMETRY和PIVPARTICLEIMAGEVELOCIMETRY技术的发展与应用,对颗粒在剪切流场中的运动有了较多的实测成果,不少文献中发现了颗粒的脉动强度大于相应流体的脉动强度的现象3～6。LIJEGREN通过理论分析表明,纵向时均流速的垂线分布梯度的存在,使得颗粒纵向脉动强度有可能超过流体脉动强度，而颗粒垂向脉动强度则不受流速梯度的影响7］。本文在LIJEGREN工作的基础上，考虑了流速梯度引起的SAFFMAN力的影响,进一步分析了颗粒脉动强度和流体脉动强度之间的关系。结果表明,由于纵向时均流速垂向分布梯度的作用,颗粒在两个方向上的脉动强度均可能超过相应的流体脉动强度。2颗粒运动方程考虑圆球状单颗粒在二维恒定均匀剪切流场中的运动。当粒径较小时，阻力可用STOKES公式表示。只考虑颗粒所受的STOKES阻力和垂向的SAFFMAN力8,忽略其它力的作用,则颗粒的运动方程可表示为Π/6D3ΡPDUP/DT3ΠΜDUFUP1Π/6D3ΡPDUP/DT3ΠΜDVFVPΔ′UFUP2式中D表示颗粒直径，下标F,P分别代表流体和颗粒，U,V分别表示纵向和垂向流速，Μ为流体动力粘性系数。,其中G为纵向时均流的垂线分布梯度GD/DY为简化分析,这里取G为常数将式1、2整理得DUP/DTΒUPΒUF3DUP/DTΒUPΒUFΔUFUP4其中Β18Μ/D2ΡP,Δ6Δ′/ΠΡPD3。按照LIJEGREN7的方法对式3作进一步分析。引入ΔUUP5其中UFUF,UF为脉动速度。由式5可得6沿颗粒的运动轨迹观察,有7把式5、6、7代入式3得DΔU/DTΒΔUGVPΒUF