（制冷及低温工程专业论文）自由下落微粒羽流的数值模拟与实验研究.pdf

摘要 在工业生产常见的储藏、处理和运输系统中，到处可见微粒流的自由下落现 象。在化工、建筑材料、食品工业处理、发电以及农产品加工等过程中，自由下 落微粒流所产生的微粒粉尘常散射到环境空气中，造成局部或大面积的微粒粉尘 污染。散射微粒粉尘能产生一系列的问题，如污染空气、造成职业疾病、增加火 灾和爆炸的危险、造成产品的损失或破坏设备等。通过研究分析微粒羽流的气固 两相流动的运动现象，可以获得空气污染中微粒粉尘的运行特征，弄清散射微粒 与环境空气在不同影响因素下的耦合规律。本学位论文集中开展对微粒羽流的自 由下落过程进行数值模拟和试验研究。具体涉及到利用c f d 软件f l u e n t 6 2 和试验手段对微粒羽流与环境空气的耦合现象进行研究。着重考察微粒的粒径、 微粒羽流的下降高度、微粒的密度和温度场对微粒羽流的卷吸空气以及微粒羽流 的速度分布所造成的影响。 在用f l u e n t 对微粒羽流的自由下落现象进行数值模拟研究过程中，用带旋 流修正的k 一湍流模型( r e a l i z a b l ek 一m o d e l ) 来处理气体相的流动的控制 方程，使用离散相模型( d p m ) 来处理气固两相的运动以及与气体相之间的耦 合。研究微粒粒径、微粒质量流量、下降高度以及微粒密度对微粒羽流的扩散特 性以及对环境空气的卷吸现象的影响。 在实验研究中，利用多功能实验平台，对不同的微粒羽流的质量流量，以及 不同物理性质的微粒羽流在不同高度下的产生的卷吸空气量和卷吸空气的流速 进行了大量的试验，通过高速摄像机记录羽流下降的运动过程，用i n s i g h t 3 g 软件来分析含有微粒流速数据的两张连续的图像，提供微粒的位移和流速信息并 将实验数据与已有的模型和数值模拟的结果进行对比验证，保证了所建立的微粒 羽流模型的正确性。结果表明，对于自由下落的微粒羽流，温度升高使卷吸空气 量增大，微粒质量流量小的微粒流与环境空气的卷吸程度较大，微粒密度增大会 导致对环境空气卷吸能力的降低，较小粒径的微粒流与环境空气的耦合更充分。 关键词：微粒羽流，气固两相流，数值模拟，卷吸空气 i nt h en a t u r ea n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，t h eg a s s o l i dt w op h a s ef r e ef a l l i n g p a r t i c l e sp l u m ef l o w sa r et y p i c a l s t u d i e so nt h e ma r eh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h et u r b u l e n c e m e c h a n i s ma n dt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h eg a sa n dt h es o l i dp a r t i c l e s ，a n da l s oa r e d i r e c t i v et ot h ea s s o c i a t e d e n g l n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，a n d c a n p r o v i d er e f e r e n c e s t ot h e t h e o r y - - d e v e l o p i n ga n de x p e r i m e n t i n v e s t i g a t i n go ft h em o r ec o m p l i c a t e dg a s s o l i dt w o p h a s e f l o w s s o ，i ti sn o to n l yo fa c a d e m i ct h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c eb u ta l s oh a st h ee x t e n s i v e e n g s 。n e c r i n ga p p l i c a t i o nv a l u et oc a r r yo u tt h es t u d yo nt h eg a s s o l i dt w o p h a s ef r e ef a l l i n g p a r t i c l e sp l u m ef l o w s u n d e rt h e s eb a c kg r o u n d s ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yo ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts t u d yo ft h eg a s s o l i dt w o p h a s ef r e ef a l l i n gp a r t i c l e s p l u m ef l o w s ，i n c l u d i n gt h eu s eo f t h ec f ds o f t w a r ef l u e n t6 2a n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h et w o d i m e n s i o n a lg a s s o l i dt w o p h a s ef r e e f a l l i n gp a r t i c l ep l u m e t h em a i no b j e c t i v ei st o i n v e s t i g a t et h ee v o l u t i o no ft h ep a r t i c l ed i a m e t e r , t h ed r o ph e i g l l t ，t h ep a r t i c l ed e n s i t y ，p a r t i c l e m 黜f l o wr a t e sa n dt h ed i s t r i b u t i n go ft h et e m p e r a t u r eb yt h ee f f e c t so ft h ep a r t i c l e so nt h ea i r e n t r a i n m e n ta n dp a r t i c l ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h ep a r t i c l ep l u m e i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef r e e f a l l i n gp a r t i c l ep l u m ef l o w , t h ef l o wi sa s s u m e dt ob e t e m p o r a l l ye v o l v i n ga n di n c o m p r e s s i b l e t h ep a r t i c l e sa r ei n i t i a l l yd i s c h a r g e df r o mt h eu p p e r r e g i o n t h eg o v e m i n ge q u a t i o n so ft h eg a s - p h a s ea r es o l v e db yu s i n gt h er e a l i z a b l ek - m o d e l a n dt h ep a r t i c l et r a j e c t o r i e sa r et r a c e db yu s i n gt h ed i s c r e t ep h a s em o d e l t h ei n f l u e n c e o nt h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s p e r s i o nm e c h a n i s mo ft h ep a r t i c l ep l u m ef l o ww i t h d i f f e r e n tp a r t i c l ep a r a m e t e ri sw e l ls t u d i e d i nt h ep r o c e s so fe x p e r i m e n t a ls t u d y , as e d e so fe x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e dt od e m o n s t r a t e t h em e a s u r e m e n tm e t h o d o l o g yf o ra i re n t r a i n m e n tb yf r e ef a l l i n gp a r t i c l e s t h e s ee x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fm a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dm a t e r i a lp r o c e s sp a r a m e t e r s ， s u c ha sm a s sf l o wr a t eo fb u l km a t e r i a l ，p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ，p a r t i c l ed e n s i t y ，o u t l e ts i z eo f t h ed i s c h a r g i n gh o p p e ra n dp a r t i c l ed r o ph e i g l l t t h ec o m p a r i s o no ft h er e s u l t so ft h ep r e s e n t s t u d yo nt h ea i re n t r a i n m e n ti nt h ep a r t i c l ep l u m ei n d i c a t e dt h ev a l i d i t yt h et h e o r e t i c a lp a r t i c l e p l u m em o d e l k e yw o r d s ：p a r t i c l ep l u m ef l o w , g a s s o l i dt w o - p h a s ef l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a i r e n t r a i n m e n t 参数表 参数表 a 表面积( m 2 ) f 摩擦总阻力( n ) 4 微粒流在漏斗口的横断面积 ( m 2 ) b t o p h a t 模型羽流半径( 胁) a ， 微粒羽流的横断面积( m 2 ) 高斯流速分布半径( 姗) g 重力加速度( m s 2 ) 墨 常数 七 密度比系数 t 热传导系数 单位时间内微粒羽流中微粒所 l 受重力和浮力之和( n s ) f 浮力通量，b = g ( m p ，)f a ， 组分密度之比 廊 微粒羽流系数 麓 阻力系数u p o 铝粉卷吸常数 见 颗粒比热容( g l k g ) 7 常数 r o 变形张量 颗粒直径( 朋1 ) 表面粒径( 朋)s 体积粒径( i n n )s s a u t 盯粒径( ，删) s 法向恢复系数 乏 切向恢复系数 b 8 颗粒平均距离( 纠) 流场的特征长度( m ) 微粒流的质量流量( k g s ) 质量负载 单位体积内颗粒的数目 努塞尔数 是指微粒初始下降速度( m s ) 卷吸空气量( m 3s - 1 ) 对应点的空气流半径( r a m ) 微粒羽流在起始处的几何半径 ( m m ) 微粒羽流半径( m m ) 第i 个环对应的半径( 衄) 与颗粒具有相同体积的球体的 表面积( m 2 ) 颗粒的实际表面积( m 2 ) 源项 s t o k e s 数 气体相和颗粒相的温度( 。) 矿 口 c c g q 勺 巴 略 杉杉 彤 气 b 符号表 乙 颗粒相的温度( 。) 肫一以了k 2时间( s ) h 。 连续相速度( m s ) h ，分散相的速度o 哟 ( ，流场的特征速度( m s ) h 入射速度( m s ) 如 出射速度( m s ) 颗粒p 相对其他颗粒的相对速 度( m s ) 微粒初始下降流速( m s ) v ， 微粒流速( m s ) t o p - h a t 模型平均速度( m s ) 屹 空气流速( m s ) 微粒羽流半径( m ) c l ，c 2 ，巳 常数 五 积分时问尺度( s ) h ，v ，w 随机脉动速度( m s ) q 第i 个环对应的卷吸空气量( m 3 s - 1 ) 羽流内某点气流速度( m s ) 屹 第i 个环相对应的卷吸空气平 。 微粒羽流下降高度( m ) 均速度( m s ) 羽流中心线上的最大流速( m s ) 希腊字母 羽流卷吸系数 微粒羽流在自由下落起始处微 粒在羽流中的体积百分数 入射角( 。) 出射角( 。) 矢量 颗粒的密度( k gm 4 ) 散料的表观密度( k g m - 3 ) 颗粒相的体积分数 。 连续相的体积分数 以混合物的密度( k g m 3 ) 石。 颗粒的组分密度( k gm 3 ) p 。一微粒羽流核心散装密度 ( k g m 3 ) n 环境空气密度( k g m 3 ) 颗粒的空气动力学响应时间尺 度( s ) o 流场中大涡拟序结构的特征时 口风 q q 妒 一 伟 。 符号表 问尺度( s ) 动量弛豫时间( s ) 热力弛豫时间( s ) 流场的宏观时间尺度( s ) 涡时间尺度( s ) 颗粒的松弛时间( s ) 流体的动力粘度( nsi n 之) 球形度 体积内弥散的颗粒的总体 积( m 3 ) 甜体积内的颗粒数目 6 y o足够大体积( m 3 ) r 扩散系数 叩变量 以 空气动态粘滞度( n s m 2 ) b v 单位体积( m 3 ) q ，吼，听常数 印 吁 h l ， p 屯 毋 硕士期间论文发表情况 学位论文使用授权声明 学位论文作者同意授权天津商业大学将学位论文的全部内容或部分内 容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或者扫描等手段保存、汇编以 供查阅或借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 签名： 聊繇塑掣一吼婵曼盆臣壁 硕士期间发表的论文情况 i 李小剑，刘泽勤，陆佩强自由下落微粒流中气固两相流的数值模拟天津商 学院学报，2 0 0 6 - 0 9 2 李小剑，刘泽勤，陆佩强浅议自由下落微粒流与环境空气的关系，赤峰学报， 2 0 0 6 1 2 3 李小剑，刘泽勤，陆佩强，牛建会卷吸空气量在自由下落微粒流中的特性 探讨，2 0 0 6 年第四届全国高等院校制冷空调学科发展与教学研讨会论文集， 2 0 0 6 - - 0 4 4 刘泽勤，牛建会，李小剑自然置换通风典型浮力源的探讨，2 0 0 6 年第四届全 国高等院校制冷空调学科发展与教学研讨会论文集，2 0 0 6 0 4 5 z co i nl i u ，x i a o j i a nl i ，p e i q i a n gl u ，t o n g h u az o u ，b a o y i n gl u v e l o c i t y p r o f i l eo f e n t r a i n e d a i ri nf r e ef a l l i n gp a r t i c l ep l u m e s , i n d o o r a i r , 2 0 0 5 9 6 z eq i nl i u ，x i a o j i a nl i i n v e s t i g a t i o no f a i re n t r a i n m e n ti nf r e ef a l l i n gp a r t i c l e p l u m e s ，i c c h t 2 0 0 6 - 2 mi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e o n c o o l i n g a n d h e a t i n g t c c l m o l o g i e s 2 0 0 6 - i 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 近年来，对微粒粉尘与环境空气关系机理的研究己越来越受到科学界的关 注，由粉尘产生的空气污染已受到世界上许多国家的工业界和立法机关的高度重 视，并将此列入当前社会环保和劳工保护政策研究领域“h “。国际上发达国家的 环保机构和职业劳动安全健康机构对污染空气的微粒粉尘相关控制理论研究提 出了更高的要求。1 。在工业生产中常见的散料产品的储藏、处理和运输系统中， 到处可见微粒流的自由下落现象。在化工、建筑材料、食品工业处理、发电以及 农产品加工等过程中，自由下落微粒流所产生的微粒粉尘常散射到环境空气中， 造成局部或大面积的微粒粉尘污染呻1 。散射微粒粉尘能产生一系列的问题，如 污染空气、造成职业疾病、增加火灾和爆炸的危险、造成产品的损失或破坏设备 等。由于我国南北气候差异较大，在研究微粒粉尘与空气污染运行机理的同时， 对低温条件下自由下落微粒羽流与环境空气的影响进行探索，也己成为人工环境 控制研究领域的课题之一。 污染空气的微粒粉尘通常呈现出微粒在空气中的漂浮及自由下落，工业生产 过程中的自由下落微粒流常产生散射粉尘进入环境空气，而周围环境空气受自由 下落微粒束的流场作用，被卷吸进入到微粒束的流场中，形成微粒羽流”。通 过研究分析微粒羽流的气固两相流动的运动现象，可以获得空气污染中微粒粉尘 的运行特征，弄清散射微粒与环境空气在不同影响因素下的耦合规律。 现代工业化的发展和科学技术水平的不断提高，极大地推动了气固两相流的 学术研究和发展，与气固两相流理论相关的应用技术成为设备安全经济运行、开 发新的工艺、研制新型气固输送和分离及燃烧等设备的关键技术。近年来随着流 场实验测试技术和数值模拟方法的不断进步和提高，气固两相流的研究水平上升 较快，学术研究的发展进一步推动解决国民经济发展中亟待解决的关键课题。 近年来，国内外研究者致力于对特定边界条件下气固两相湍流的流动特性进 行了实验研究、理论分析和数值模拟。然而，由于气固两相流动的复杂性，对气 固两相流的学术研究涉及到流体力学、热力学、传热传质学和流变学等许多相关 第一章引言 的基础学科，气固两相流动的内在规律，特别是气固两相流动中气相和颗粒相之 间的相互作用机理和传热传质规律等关键问题，尚需要进一步进行探索和研究， 如复杂稠密气固两相流动中颗粒之间的相互碰撞和聚集，颗粒束或颗粒群与环境 空气的耦合机理等。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 气固两相流 气固两相流与单相流不同之处，在于气固两相流中存在着一定浓度的固体颗 粒，其运动复杂，两相之间存在着耦合作用，即两相问的相互作用。这种相互作 用包括质量、动量、能量和湍流间的相互交换与传递。按照两相组份浓度不同， 气固两相流可分为稀疏两相流和稠密两相流。稀疏两相流动中离散相颗粒在发生 碰撞时已经完全响应湍流脉动，它们的瞬时速度可以由湍流作用得出，位置可以 由湍流对颗粒的作用力积分得到。颗粒间相互碰撞由于作用时间极短，大部分时 间颗粒还是响应湍流作用后跟随湍流运动，所以在工程实际计算中常假设忽略颗 粒间的碰撞。而在稠密两相流动中，离散相颗粒连续两次碰撞的时间间隔小于离 散相本身完全跟随气流流动所需时间，使得颗粒就不能完全地响应湍流脉动，在 尚未完全跟随湍流时便已经发生碰撞。此时颗粒问的碰撞占据主导地位，它们的 瞬时速度和位置由碰撞得到，故此必须考虑颗粒间的相互碰撞。对稀疏两相流来 说，颗粒的存在对气相影响很小，可给予忽略，这种情况被称为单向耦合( o n e w a y c o u p l i n g ) ，即只认为气相运动特性单方面影响着颗粒的运动情况。而对于浓度较 高的气固两相流动，不仅气相影响着颗粒的运动，而颗粒对气相运动也有明显的 影响，不应被忽略。这种同时考虑颗粒和流体间相互作用的情况被称为双向耦合 ( t w o - w a y c o u p l i n g ) 。如果再进一步考虑颗粒间的相互碰撞，则被称为四向耦合 ( f o u r - w a yc o u p l i n g ) 。这种气固两相之间和颗粒间复杂的相互作用和交换机理， 是气固两相流动研究的关键难点所在。 气固两相流的研究方法主要分为两大类：即模化实验和数值模拟。由于气固 两相流的复杂性，用现有的测试技术很难了解其全部流动特性，用建立在传统理 论上的数值模拟方法被认为可用来进行气固两相流得模拟计算，分析流场的运动 第一章引言 特征。高速电子计算机的出现和发展，进一步推动数值模拟方法研究湍流和气固 两相流的研究。 为了能有效地对气固两相流进行数值模拟，必须首先建立两相流动的数学模 型，并相应地给出描述其运动规律的基本微分方程组，然后在给定的初始条件和 边界条件的基础上求解这些方程组。由于气相运动在两相流中起着主导作用，常 先建立气相流动的数学模型，在此基础上再把颗粒运动方程加上去耦合求解，从 而找出两相流动的内在规律，计算出瞬时气固两相流的运动变化参数。 气固两相流理论分析指出，颗粒的存在必然要对流体相湍流流动产生影响。 g o r e 等( 1 9 8 9 ) 【l o 】研究认为当颗粒直径和大涡特性尺度的比值小于0 1 时，颗 粒的存在减弱气相湍流；而颗粒直径和大涡的特性尺度的比值大于0 1 时，颗粒 的存在则加强气相湍流。h e t s r o n i 等( 1 9 8 9 ) 1 l l 认为颗粒的雷诺数较小时将会减 弱湍流，颗粒的雷诺数较大时，将会由于涡的脱离而加强湍流。c r o w e 等( 1 9 9 3 ) 1 1 2 】总结出颗粒运动将影响流体湍流的几个因素： ( 1 ) 颗粒运动轨迹后面产生尾涡的影响： ( 2 ) 湍动能在传递给运动量颗粒过程中的耗散的影响； ( 3 ) 颗粒间的碰撞对流动的影响； ( 4 ) 气体速度梯度场的改变及相应湍流发生改变的影响： ( 5 ) 扰流颗粒引起流场的唯一影响。 e l g h o b a s h i 等( 1 9 9 3 ) 1 3 1 根据颗粒的体积份额给出颗粒对气相湍流场的影响 结果，如果颗粒体积份额小于1 0 r 6 ，则颗粒对湍流没有影响，如果介于1 0 4 和1 0 - 3 之间，并且颗粒的弛豫时间与湍流时间尺度的比值大于1 ，颗粒增强湍流，否则 减弱湍流。当体积分数大于l f f 3 时，颗粒间的碰撞就变得重要起来，颗粒碰撞产 生的作用就会影响其流场。e l g h o b a s h i 等( 1 9 9 4 ) i 1 4 l 针对各向同性均匀湍流，采 用直接数值模拟研究发现，当颗粒的尺度小于k o l m g o r o v 尺度时，颗粒的存在 将会加强湍流。p a n 等( 1 9 9 6 ) 【1 5 】认为既然颗粒对流体动量产生的作用效果促使 流体速度产生扰动，那么就可以直接将其关联进入到流体的非扰动速度场，并以 此来考虑颗粒对流体的作用。许进等( 1 9 9 8 ) 1 1 6 1 采用双流体模型和颗粒轨道模 型对气固两相流动进行研究，发现当颗粒体积分数小于6 5 时，可采用单向耦 合，否则必须采用双向耦合。 第一章引言 传统理论对气相湍流场的描述有两种方法，即拉格朗日方法和欧拉方法。拉 格朗日方法能给出每个湍流脉动的微团在每瞬时的运动轨迹和状态，但不能描述 出整个流场的情况。欧拉方法则能够克服这些困难，从整体上描述流体的运动。 所以在实际的数值模拟中，欧拉方法常被用来研究气相湍流运动。 1 2 1 1 气相流动的数值计算模型 运用数值方法研究气相流动问题，有各种各样的数学模型可以采用。本文先 简单介绍几种国际上广泛采用的气相湍流数值模拟方法。 在湍流研究的早期，人们把注意力都集中在对雷诺方程的研究上，先后提出 了湍流数值模拟的零方程模型、单方程s p a l a r t - a l l m a r a s 模型、双方程模型k 一系 列，k n ，系列、雷诺压力模型( r s m ) 、代数应力模型以及各种改进的模型等。 这些模型的提出推动了湍流研究和应用的进展，使得湍流模式理论得到了长 足的发展。但由于其对经验数据的依赖性，以及将脉动运动的全部细节一律抹平 从而丢失了大量重要信息，所以存在着自身无法克服的局限性，对湍流机理的基 础研究也没有很大的帮助。目前存在的各种湍流模型，只能适用于解决一种或者 几种特定的湍流运动，详细的描述和介绍参见专著【1 7 1 。但由于工程应用中起主 导作用的是流体流动的平均性质，所以这些模型还存在着一定的应用空间，尤其 是双方程中的k s 模型，更是成为目前工程上应用最广泛的模型。 近年来随着超级计算机、并行计算机的飞速发展，一些新的湍流数值模拟方 法得以开发，并得到了广泛的研究和应用，许多商业计算流体软件的诞生，进一 步推动湍流研究领域的发展，某些模型也开始被应用在工程实践中。 虽然人们提出了很多不同的数学模型用来描述湍流流动，但普遍接受的还是 考虑湍能耗散的k 一模型，即将湍动能和耗散的微分方程一起求解，同时将有 效的涡粘度与能量和耗散率联系在一起。它在过去几十年中一直作为湍流计算的 基本模型使用，是目前工程上应用最广的模型，己成功应用于多种不同类型的流 场计算。该模型以各向同性的b o u s s i n e s q 假设【1 8 l 为基础，用湍动能k 和耗散率g 来 表示湍流粘性系数，。对于近乎各向同性的湍流，k s 模型可以取得较好的计算 结果。由于标准k 一模型是个半经验公式，k 方程是个精确方程，f 方程是个由 经验公式导出的方程。k 一模型假定流场完全是湍流，分子之间的秸性可以忽 第一章引言 略。标准k - c 模型因而只对完全是湍流的流场有效。对于强剪切流动、强旋流 动以及有分离区并存在二次流的流动等，其预报结果则不太理想【”- 2 0 l 。 为了保留k 一8 模型的简单易用特点，同时提高它的模拟能力，人们提出了各 种修正模型。y a k h o t 等( 1 9 8 8 ) 1 2 1 1 提出了改进的r n gk e 模型，r n gk f 模 型来源于严格的统计技术。它和标准k e 模型很相似，但是有以下改进： 1 ) r n g 模型在e 方程中加了一个条件，有效的改善了精度。 2 ) 考虑到了湍流漩涡，提高了在这方面的精度。 3 ) r n g 理论为湍流p r a n d t l 数提供了一个解析公式，然而标准k e 模型 使用的是用户提供的常数。 们然而标准k 一模型是一种高雷诺数的模型，r n g 理论提供了一个考 虑低雷诺数流动粘性的解析公式。 这些特点使得r n gk f 模型比标准k 一模型在更广泛的流动中有更高的 可信度和精度。 s h i h 等( 1 9 9 5 ) 在文献【矧中提出了带旋流修正的k s 模型( r e a l i z a b l ek s m o d e l ) 。术语“r e a l i z a b l e ”，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束， 湍流的连续性。比起标准k 一模型来有两个主要的不同点： 带旋流修正的k 一模型为湍流粘性增加了一个公式。 为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作 的精确方程。 带旋流修正的k e 模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更 精确的预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次 流有很好的表现。 改进的r n gk 一模型和带旋流修正的k 一模型( r e a l i z a b l ek 一m o d e l ) 均在一定程度上改进了标准k 一模型，但同时又都存在着各向同性b o u s s i n e s q 假 设本身所无法克服的缺陷。该方法的主要优点是简单易用，计算量较小，可广泛 应用于模拟工程问题。不足之处在于需要采用湍流模式理论，无通用性，对湍流 机理的研究贡献有限。 第一章引言 1 2 1 2 颗粒相的数值计算模型 英国帝国工学院s p a l d i n g 教授在7 0 年代初提出的两相流的单流体模型或无 滑移模型吲，即颗粒相与流体相达到动力平衡及热平衡的模型，认为空间到处 颗粒与流体时均速度与温度相等，而颗粒扩散则相当于流体组分的扩散( 扩散平 衡) ，把颗粒与流体作为统一的流体加以研究。基本的假定条件是： 1 1 颗粒群只有尺寸的差别，按固定尺寸分组，不同尺寸组就是不同的 相，对于不同的相，其温度和物质密度均相等； 2 1 所有颗粒的时均速度等于当地的流体相速度，没有相对速度，也即 颗粒相和流体相之间没有滑移。颗粒相的时均速度、液体相的时均 速度、混合物的时均速度都相等； 卦各颗粒相类似于流体混合物中某种流体组分，把它们作为有湍流扩 散的连续介质，且各相的湍流扩散系数均相等，并且取作流体的扩 散系数； 钔相和相之间的相互作用，即质量、动量和能量的交换类似于流体混 合物中各组分之间的作用，颗粒相和流体相之间的阻力忽略不计。 这种无滑移连续介质模型的主要优点是：处理方法简单，计算方便，它不需 要重新编制计算颗粒相的程序，而只要对原有的流体相计算程序进行一些修改， 加进计算颗粒源项的部分就可。其缺点是：不考虑颗粒相和流体相之间的速度滑 移以及阻力作用，认为颗粒相同流体相一样有相同的温度和扩散系数，这和实际 多项流动情况差异很大，目前这种模型应用较少。 从6 0 年代末开始，s ls o o ( 1 9 9 0 ，苏邵礼) 【纠多年来发展了模拟多相流动的 小滑移连续介质模型，后来d 陀w ( 1 9 9 3 ) 陋】对这种多相流动模型给出了更为细 致的描述，比s p l a d i n g 的无滑移模型考虑了更多的因素，其特点为： 1 ) 颗粒群看作是连续介质，并按当地尺寸分组，不同的组为不同的相； 2 ) 同一相有同样的速度，温度，物质密度和颗粒直径； 3 1 各组尺寸颗粒群速度不等于当地的流体相速度，各颗粒相之间的速 度亦不相等，各相之间有相对滑移存在： 颗粒的运动是由流体的运动而引起的，颗粒相的滑移是由于颗粒相 对于多相流整体的湍流扩散所致，因此这种小滑移也成为湍流漂移： 第一章引言 5 】多相混合物整体与各相之间的关系，仍类似于多组分流体混合物和 各流体组分问的关系。 实验表明，流体相和颗粒相以及不同尺寸组的颗粒群之间的滑移不仅是湍流 扩散的效果，而往往是由于它们彼此的时均速度有较大的差异。通常多相流动中， 颗粒群既有沿轨道的时均速度的滑移运动，又有沿轨道两侧的扩散运动，并且前 者明显的比后者更主要，滑移扩散的颗粒群模型就是针对这种多相流动的实际 情况而提出的【硐。上述多相流模型，都属于连续介质模型，它的优点是颗粒相 的计算方法同流体相一样，可用统一的形式和求解方法，使计算程序既适用于流 体相，也适用于颗粒相，但对于处理颗粒初始尺寸不均匀，同时颗粒尺寸又不断 变化的多相流动情况，其计算方法将变得很复杂，计算工作量很大，尤其对于较 稀相的颗粒群，这时为了决定按体积平均而必须选择的控制体体积与流场尺寸相 比就不是很小，这种情况下连续相假设就失效了。 v o r ( v o l u m eo ff l u i d ) 模型是运动界面追踪数值方法中最为重要的模型方法 之一，它的特点是将两相( 或两种物质1 的分布在空间网格上定义为流体体积函 数，并构造该函数的发展方程，两相共享同一组动量方程。该模型可以用来模拟 各种界面现象，可以采用多种技术精确地构造运动界面【2 7 1 ，正因为如此，该方 法可以用来计算少量弥散颗粒在液体中的运动【2 8 1 ，并能够解析到颗粒周围的流 场，但是由于计算量的限制，对于稠密的弥散颗粒流，该方法目前还不适用。 上世纪七十年代中期以后，人们逐渐发展了更为完善的两相流模型，即完整 地考虑相间速度与温度滑移、颗粒扩散及相间质量、动量和能量的耦合，特别是 颗粒对流体的反作用以及颗粒有反应过程等，其中又可分为颗粒轨道模型和颗粒 拟流体模型两大类。 c r o w e 等【2 9 1 首先提出了颗粒轨道模型，主要是基于单元内的颗粒源方法 ( p a r t i c l es o u r c ei nc e l l ) 对颗粒群进行数值模拟。其基本思想是：在欧拉坐标系中 考察流体相的运动情况，而在拉格朗日坐标系中研究颗粒群的运动情况。即把颗 粒群按初始尺寸分组，各组颗粒沿其自身轨道运动。由于颗粒的蒸发、挥发及燃 烧、流体的阻力作用和传热等原因，颗粒群沿轨道会发生速度、质量、温度、密 度和尺寸的变化，同时对流体造成了分布于整个体积中的物质源、动量源和能量 源。该方法能研究颗粒群和流体相之间的较大滑移，并把复杂的颗粒变化情况耦 第一章引言 合进来。按照是否考虑颗粒群的湍流扩散，又可把颗粒轨道模型分为两类：一类 是不考虑颗粒群湍流扩散的颗粒确定轨道模型，另一类是考虑颗粒群湍流扩散的 颗粒随机轨道模型。 c r o w e 等( 1 9 9 6 ，2 0 0 0 ) 1 3 0 , - * 1 1 对颗粒在湍流场中的各种扩散模型进行了综述，提 出了分散颗粒群模型( d i s c r e t ep h a s em o d e l ) 。颗粒轨迹通过积分单个颗粒的运动 方程而求得，在考虑湍流作用时，采用m o n t c a r l o 方法计算颗粒位置的流体瞬 时速度，颗粒运动方程积分的时间尺度依赖于湍流的涡生存时间以及颗粒与湍流 的作用时间。 颗粒确定轨道模型处理颗粒群的方法较简单，能够考虑相间速度与温度的滑 移，并可以追踪比较复杂的颗粒经历，数值计算不会产生伪扩散。但其存在一个 缺点，就是对颗粒的湍流扩散缺乏较好的处理。考虑到湍流脉动对颗粒轨迹造成 的影响，y u u 掣3 2 1 首先提出了涡作用模型。在经过g o s m a n 掣3 3 l 和b e r l e m o n t 等 3 4 1 改进以后，得到了广泛的应用。s o m m e 删d 【3 5 】和s h u e n 3 6 l 等采用此模型进行数 值求解，得到了比较满意的结果。浙江大学热能工程研究所的岑可法院士和樊建 人教授 3 7 1 提出的随机频谱颗粒轨道( f s r t ) 模型，在实际的应用中也取得了非常好 的效果。 为了能更完整地考虑颗粒相的各种湍流输运特性以及相间的滑移和耦合， s p a l d i n g 掣3 8 l 首先提出了双流体模型。它的基本思路为：将离散的颗粒当作是连 续分布于空问的拟流体，认为颗粒存在着与流体运动方程相类似的质量、动量和 能量守恒方程，从而可以在欧拉坐标系下统一考虑气固两相流动系统。 国内清华大学周力行教授对双流体模型进行了深入的研究。他们针对各向同 性流动，提出了颗粒湍动能输运方程的k 一一七。模型 3 9 1 。针对各向异性流动， 则将单相湍流流动的r s m 模型推广至气固两相流中，提出了统一的二阶矩模型 ( u s m ) 。他们运用这些模型对突扩旋流进行模拟1 4 1 卅，取得较好的计算结果。 但在处理壁面处的颗粒沉积、反弹等方面还有缺陷【4 3 1 。 为了克服现有颗粒模型的缺点，概率密度函数( p d f ) 方法被引用于构造双流 体模型的两相湍流模型。r e e k s l 4 4 1 从稳态流场中的颗粒运动方程出发，得到了颗 粒相的p d f 输运方程，同时还用p d f 方法研究了近壁区颗粒的运动和自然边界 条件的处理，克服了一般双流体模型难以描述的颗粒在壁面沉降、反弹过程的缺 第一章引言 陷。z a i c h i k 等f 4 5 】用r u m t s u n o v i k o v 定理和泛函分析的方法，实现了采用p d f 方 法对流体湍流和颗粒相的模拟。s i m o n i n l 4 6 l 则运用流体涡团的l a g r a n g i a n 模型来 构造颗粒轨道上的流体涡团l a g r a n g i a n 方程，从而得到了颗粒相的连续、动量和 r e y n o l d s 应力方程。周力行教授等采用了二阶矩封闭的思路来封闭p d f 输运方程 中湍流与颗粒的相间作用项，将颗粒相的p d f 模型与流体运动的各类模型相结 合，提出了k 一一p d f 模型m 和f d s m p d f 模型【档】。在应用过程中，这些模型 各有优势，还需要做进一步的研究。 上述各种不同的气固两相流动模型，从不同的角度对真实的气固两相流动过 程做了近似和简化，因而具有不同的适用范围。对稀疏多相流动中固体颗粒，液 体颗粒以及气泡运动的计算方法，l o t h l 4 9 l 做过较为详细的介绍和分类。一般情况 下可通过判断颗粒相对浓度和相间滑移量的大小来选择合适的模型。从已有的研 究来看，在湍流气固两相流动的数值模拟方法中，颗粒轨道模型的应用最为广泛。 它的优点在于计算工作量小，能够模拟有蒸发、挥发、两相化学反应和在不同阶 段有不同质量损失率的颗粒相的复杂经历，而且颗粒相采用拉格朗日坐标系处理 可以避免伪扩散。 1 2 2 气固两相流数值模拟 国外在气固两相湍流的研究方面进展很快，c r o w e 等【删先后对气固两相湍流 流动的数值模拟方法进行过概括总结。在m a s h a y e k 等【5 1 】的综述中，他们对最新 的气固、气液两相流动的数值模拟方法进行了详细的介绍，包括了拉格朗日描述 的直接数值模拟、大涡模拟和统计模型，以及欧拉方法描述的r a n s 模型和p d f 模型等，相关的研究成果也被分类讨论。 近年来，在国家自然科学基金、国家“8 6 3 ”和”9 7 3 ”等项目的大力资助下，国 内气固两相流动的数值模拟工作也蓬勃发展，取得了较快进展。但各种研究成果 分散于不同的文献之中，尚未见到有综述性的报道。 在颗粒受力方面，清华大学由长福、祁海鹰等i s 2 l 对气固两相流动中颗粒所受 的b a s s e t 力进行了研究综述与应用分析，讨论了各种不同两相流动条件下该力 的影响情况。他们采用数值模拟方法研究了煤粉颗粒所受的m a g n u s 力，考察了 颗粒的旋转速度、流动雷诺数对m a g n u s 力的影响，并且给出了相应的关系式【5 3 l 。 9 第一章引言 他们还对稠密气固两相流动中单个颗粒的受力情况进行了细致的研究 5 4 1 。采用 数值计算的方法考察了非球形颗粒在气固两相流动中受到的曳力，发现对于不同 的颗粒与来流角度，非球形颗粒所受到的曳力具有较大的差别【5 5 】。 肖海涛、祁海鹰掣5 6 - 5 7 1 为了解决现有经验气固阻力模型的普适性问题，从理 论分析入手，建立了计及颗粒团聚效应的气固阻力分析新模型。该模型不仅能合 理地描述了气固两相相互作用的物理过程，而且避免了以往采用经验系数所导致 的误差和局限性。 赵海波、柳朝晖等【5 8 1 在仔细分析颗粒扩散的轨道穿越效应、连续性效应和惯 性效应的基础上，提出了一种改进的漂移系效模型，综合考虑了颗粒在均匀各向 同性湍流内扩散所遇到的三种效应，并研究了三个效应对于数值模拟结果的影 响。 在稀疏气固两相流方面，浙江大学林建忠教授( 2 0 0 1 ) 在文献f 5 9 】中采用双向 耦合模型对有涡配对的二维气固两相混合层进行数值模拟，在考虑颗粒对流场的 反作用基础上进一步对颗粒间通过流体的相互作用进行分析，流场用拟谱法求 解，颗粒用颗粒轨道模型跟踪。结果发现流场中大涡卷起和配对仍居主导地位。 颗粒s t 数为0 卜1 时，颗粒减弱了流场的雷诺应力强度，加快涡量扩散；s t 为1 时，颗粒分布极不均匀，主要集中在涡的边缘。 清华大学范全林等1 6 0 - 6 1 1 和浙江大学金晗辉等【6 2 坷1 分别采用大涡模拟方法对 气固两相平面射流进行了数值模拟，发现在射流的过渡区及充分发展区存在着丰 富的拟序结构及其相互作用，并得到了与实验值吻合较好的结果。在此基础上他 们分别在考虑和忽略重力的情况下对平面射流中不同s t o k e s 数颗粒的扩散特性 进行了研究，发现颗粒的扩散取决于大涡结构和颗粒惯性的共同作用。 清华大学王兵、张会强等l “彤1 还采用大涡模拟技术对二维后台阶分离流动中 颗粒扩散进行了数值模拟研究，给出了不同s t o k e s 数的颗粒在流场中的分布以 及瞬时大涡与颗粒的相互作用规律，讨论了入口条件对颗粒扩散的影响，表明大 尺度涡对颗粒扩散的影响依赖于颗粒尺寸等参数。 华中科技大学柳朝辉等【删采用大涡模拟手段研究了空间发展模式的二维气 固两相混合层，再现了流体涡结构的卷起、合并和破碎过程，以及小尺寸颗粒在 涡边缘的局部富集现象。但颗粒数密度和脉动速度跟实验结果存在较明显的差 1 0 第一章引言 异，因此有必要全面研究亚网格应力和颗粒之间的耦合作用以及拟序结构的三维 性对颗粒运动的影响。 吴锤结和周菊光在文献 6 7 d p 将固体颗粒的牛顿力学和格子b o l t z m a n n 方法 相结合，研究了不规则形状悬浮颗粒在流场中的运动，精确求得了其所受合力、 合力矩和合力作用中心等，提出了跟随颗粒运动的动网格计算域技术和模拟悬浮 颗粒转动运动的局部数组方法。他们的研究结果表明，运用格子b o l t z m a n n 方法 和上述特殊技术对两相流动进行模拟可以得到与有限元方法相同的模拟精度，且 具有计算速度快、对复杂形状边界处理方便灵活、程序简单以及特别适合于大规 模并行计算等优点。 哈尔滨工业大学陆慧林教授的研究组对稠密气固两相流也进行了深入的研 究。他们首先基于气固两相流动模型模拟上升管内稠密气固两相湍流流动特性， 其中气相湍流采用大