槽道液固两相流动中微颗粒的湍流调制与减阻现象的数值研究

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流固两相流广泛存在于自然界和工程领域,是当前科学研究的热门课题。而湍流减阻控制是工程科学的一个新兴研究领域,其目的在于尽可能降低湍流状态下的摩擦阻力,以满足工程应用上的节能需要,因此同样具有重要意义。目前的研究希望从研究颗粒-湍流相互作用(双向耦合)规律入手,尝试对其中可能伴随发生的湍流减阻现象做一些初步探索。   在这篇研究论文中,我们利用CFD软件FLUENT对载有悬浮微颗粒(粒径在微米量级范围,且颗粒雷诺数Rep<1)的槽道液固两相湍流进行数值模拟计算,研究了不同的无量纲特征参数,即直径dp+(或颗粒弛豫时间τp+)、最终沉降速度us*以及体积分数αp,对近壁湍流统计量以及流动阻力的影响,得到的结论有:   [1]dp+≤2的小颗粒减小了固液两相湍流的雷诺应力,并且三个方向上的速度脉动也被不同程度地削弱,而dp+=4的大颗粒使缓冲层区域的雷诺应力稍增大,但有意思的是,大颗粒在增强横向速度脉动的同时对流向脉动有压制作用,并且发现大颗粒的存在导致缓冲层中出现流变现象。在微颗粒减阻方面,较小的颗粒有大致相同的减阻表现,而dp+=4的颗粒已经失去了减阻性能。总体上看,微颗粒的减阻性能随着其粒径的增大而降低。   [2]对于us*=0.00069的颗粒,整个槽道的近壁雷诺应力以及速度脉动强度与不考虑重力时情形非常接近。中等颗粒(us*=0.0028)对湍流的削弱作用,从整体上看,是进一步增强的。但是相比于未考虑重力的情形,us*=0.011的颗粒对湍流(特别是在槽道下半部分的近壁区域)有所增强,这可能与颗粒间的碰撞提高了湍流能量耗散有关。就减阻表现而言,当us*=0.00069时,重力对阻力系数的影响可忽略,而中等颗粒进一步提高了减阻率,不过us*=0.011的颗粒使未考虑重力时的阻力系数Cf增大至无颗粒载荷流动状况下的水平,并有增阻的趋势。   [3]雷诺应力和湍流脉动强度随颗粒体积分数的增大而减小,当αp=0.1时颗粒对湍流的削弱作用最为明显。与此相照应,减阻率表现出相同的趋势,即当颗粒体积分数增大时,减阻率也是增大的,并且所得最大减阻率达到约5.6%。   综上所述,微颗粒对壁湍流有不同的调制作用,并在满足一定条件的情况下产生减阻现象。目前的结果在定性上与直接数值模拟结果基本保持一致,可以为实验研究的展开提供有用的参考指导,同时其仍需通过精确的定量研究加以验证和进一步的分析。
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