非常规颗粒(颗粒群)曳力的格子Boltzmann模拟

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气固两相流广泛存在于工业生产中,特别是燃煤电厂锅炉中存在大量复杂的非规则颗粒(颗粒群)。本文采用格子波尔兹曼方法对非常规颗粒及颗粒群在不可压粘性流体中的性质进行了研究,重点研究了颗粒所受的曳力。具体而言,本文的主要工作和得到的结论有:  研究了圆柱颗粒和圆球颗粒在均匀流中的流场性质及受力特征,计算了不同Re数时颗粒的曳力系数、升力系数及斯特劳哈尔数等无量纲特征数,并和文献结果进行了比较,证实了LBM模拟的可靠性。  研究了四种非规则截面颗粒(三角形、十字形、三叶形及矩形)在斯托克斯流中的产生的压降。三角形颗粒和三叶形颗粒具有相似的几何结构,放置角度为0°时颗粒压降最大,随着放置角度增大,压降依次减小。十字形颗粒压降对放置角度最不敏感,而矩形颗粒对放置角度最为敏感。对比四种非规则颗粒压降可知,矩形在0°放置时压降最小,三叶形(ε=2)在0°放置时压降最大。  研究了简单颗粒阵列、八颗粒阵列及随机分布颗粒群的流场性质及曳力。使用硬球蒙特卡洛(HSMC)方法对颗粒群进行初始化。定量验证了简单颗粒阵列所受曳力随体积分数的变化规律。对于八颗粒阵列,中心位置处的主流方向速度随着Re数的增大而增大,且与实验结果吻合较好。对于随机颗粒群,当体积分数较大时,空隙处速度概率密度峰值出现在接近vz=0处;当体积分数减小至0.35时,概率密度出现双峰分布的趋势;当体积分数继续减小,概率密度变为单峰分布。对颗粒群中颗粒所受平均曳力进行定量分析并比较不同理论公式,发现Koch&Sangani公式更加精确,但需修正其分段函数转折点为0.2。此外,颗粒群中的单个颗粒无量纲曳力的概率密度符合平均值为1、标准差为0.518的高斯分布。  研究了二维点源颗粒团聚体和三维有限体积颗粒团聚体在斯托克斯流体中所受曳力。得到了以下结论:对于二维颗粒团聚体,当颗粒数目较少时,团聚体各向同性特征不显著,不同入流角度下团聚体所受曳力差别较大。此外,对不同体积分数下的团聚体所受曳力进行计算,然后利用已有的二维圆柱颗粒曳力理论公式进行数据拟合,得到了团聚体曳力的计算公式。对不同颗粒数目的三维颗粒团聚体进行模拟,拟合得到了团聚体曳力和颗粒数目以及投影面积之间的关系式。  初步研究了两种特殊工况下颗粒在流场中的受力性质,即颗粒壁面滑移效应及颗粒运动。模拟了存在壁面滑移效应的二维圆柱绕流,计算了不同Re数和Kn数下的圆柱颗粒曳力。模拟了单颗粒在二维通道内的沉降过程,对比颗粒最终沉降速度和文献相吻合,并探讨了不同颗粒-流体密度比时颗粒所受曳力及曳力系数的变化情况。
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