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水利工程论文-流速梯度对悬浮颗粒脉动强度的影响.doc

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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α=ωe/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LDV(LaserDopplerVelocimetry)和PIV(ParticleImageVelocimetry)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/6)D3ρp[(dUp)/(dt)]=3πμD(Uf-Up)(1)(π/6)D3ρp[(dUp)/(dt)]=3πμD(Vf-Vp)+δ′(Uf-Up)(2)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:G=d/dy.为简化分析,这里取G为常数.将式(1)、(2)整理得(dUp/dt)+βUp=βUf(3)(dUp/dt)+βUp=βUf+δ(Uf-Up)(4)其中β=18μ/(D2ρp),δ=6δ′/(πρpD3)。按照Lijegren[7]的

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