基于格子Boltzmann方法的中低雷诺数稀疏气固两相交叉射流研究

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对气固两相交叉射流进行研究对工业生产和环境保护具有一定的指导意义。以往对气固两相交叉射流气相的模拟研究主要采用雷诺时均Navier-Stokes方法、大涡模拟、直接数值模拟等宏观方法。采用格子Boltzmann方法等介观方法模拟气相流动与传热可以加深对交叉射流机理的研究。格子Boltzmann方法具有物理背景清晰、易编程、边界处理简单、并行性好等优点,在模拟复杂流动方面具有一定优势。本文将耦合格子Boltzmann方法和离散元方法对气固两相交叉射流的气相流动传热特性、颗粒扩散和碰撞特性及相间相互作用机理进行研究。首先,在Euler-Lagrangian框架内,建立格子Boltzmann方程-离散元方法(LBE-DEM)的耦合模型,对气固两相交叉射流进行模拟研究。气相用双分布函数模型-TD2G9模拟。颗粒相中对各个颗粒进行Lagrangian追踪。碰撞采用硬球模型计算。两股射流入场速度相等,颗粒在相同载荷率下计算了三种Stokes数。得出交叉射流中气相流场特征,并考察颗粒的扩散分布和反射比率特性。在LBE-DEM耦合模型基础上,再耦合两相传热模型,以分析流体颗粒间热量耦合及其对两相传热的影响。流场雷诺数为1000,交叉的两股射流温度不同,同颗粒数量下选取三种Stokes数颗粒进行模拟。分析了气相温度分布、颗粒群温度分布和相间双向耦合传热特性及其影响因素。对非等速交叉射流的气相流场拟序特征进行考察,用TD2G9模型模拟研究了交叉射流中拟序涡旋运动、射流间相互作用和传热特性。通过对比验证,发现不同雷诺数下的交叉射流特性,比如平均速度、雷诺应力、涡旋场、温度场、近壁面温度梯度分布特点和涡旋运动的拟序相关特性等等。最后,通过改变交叉射流中纵向射流与横向来流的入场速度比,研究纵向射流和横向来流之间的相互影响。模拟了0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8、2.0七种速度比下的交叉射流。考察了速度比对涡街和温度场的影响。通过研究涡旋,平均轴向速度、平均温度、脉动速度特点,揭示速度比的影响。
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