论文部分内容阅读
颗粒-流体二相湍流在环境和工业流动中广泛存在，例如:流化床、沙尘暴以及雨滴的形成。对颗粒与湍流双向耦合机理的理解是二相湍流预测和控制的基础。在用欧拉-拉格朗日方法描述二相湍流时，若颗粒直径dp大于湍流Kolmogorov长度尺度η，颗粒诱导的其周围流场是非均匀的，常用的点力模型（Point-particle model）失效。基于此，解析颗粒的直接数值模拟正成为研究颗粒与湍流相互作用的重要工具。
本文发展了基于格子玻尔兹曼方法(LBM)的均匀各向同性湍流并行程序，本文的主要的工作内容有:
1、利用格子玻尔兹曼方法计算强迫湍流的高阶统计量。
我们分别模拟了网格数为1283、2563以及5123的统计稳态湍流。计算了包括能谱E（k）、纵向关联函数(Longitudinal correlation function)、横向关联函数(Transverse correlation function)f(r)，g(r)以及空间结构函数的标度指数ζp在内的低阶以及高阶统计量。并且用格子玻尔兹曼方法给出了稳态湍流的时间-空间结构函数Sp(r，T)。同时研究了流体Lagrangian加速度a/＜a2＞1/2、耗散率ε/＜ε2＞1/2以及两点速度差δu/＜δu2＞1/2的概率分布函数(PDF)。我们发现:格子玻尔兹曼方法(LBM)能够很好地计算湍流高阶统计量，是一种可靠的湍流直接数值模拟方法。
2、有限尺寸颗粒与湍流相互作用的直接数值模拟。
由于当颗粒的直径dp与Kolmogorov尺度的量级相当、或者颗粒直径dp大于Kolmogorov尺度时，点力模型(Point-particle model)不再适用。在本文中，我们采用解析颗粒的直接数值模拟方法(Particle-resolvedDirect Numerical Simulation)研究了湍流和颗粒的相互作用。我们研究了加入颗粒前后湍流总动能以及湍流耗散率随时间的变化、颗粒对湍流涡量场的影响、有限尺寸颗粒的聚集效应以及颗粒之间的相对速度、有限尺寸颗粒对湍流能谱的影响。我们发现有限尺寸颗粒的聚团效应不明显，由于短程水力作用(Short-range hydrodynamic)的影响，其仅能在小尺度范围内聚集;当流场中加入有限尺寸颗粒之后，颗粒会打破湍流大尺度结构，与此同时颗粒会在其下游诱导出新的尺度为dp/2～λ/2涡结构，这样就补充了高频区的能量，因此频谱曲线斜率降低。
本文的创新点为:
1.用格子玻尔兹曼方法研究了均匀各向同性强迫湍流的高阶统计量（例如空间结构函数的标度指数以及时间-空间结构函数），发现格子玻尔兹曼方法(LBM)能够很好地计算湍流高阶统计量，是一种可靠的湍流直接数值模拟方法;
2.用格子玻尔兹曼方法研究了有限尺寸颗粒的聚团效应，发现有限尺寸颗粒聚集效果不明显。