壁湍流中微细颗粒减阻效应的数值的研究.pdfVIP

壁湍流中微细颗粒减阻效应的数值研究1) 唐一敏 陈林烽 邓义求 董宇红2) 上海大学 上海市应用数学和力学研究所 上海 200072 摘要：结合理论分析和数值模拟对流体-微粒两相湍流的相互作用和减阻机制进行研究，采用点-力耦合模型的负 载颗粒槽道湍流的直接数值模拟，结合拉格朗日轨道模型，通过模拟两相间的双向耦合刻画其相互作用的动力学 过程，获得各阶次的统计数据，分析了微米级颗粒在壁湍流中的运动以及对湍流所产生的调制作用。同时，从含 颗粒作用外力项的Navier-Stokes 方程出发，推导颗粒加载湍流的阻力系数公式，研究颗粒的不同物理参数如直径、 体积浓度等对流动阻力系数的影响，探讨最佳减阻配置。 关键词：颗粒；直接数值模拟；双向耦合；阻力系数；湍流调制 引 言 流动减阻控制是工程科学的一个新兴领域，当设计流场的几何形态满足某种条件，或添加某些特定物 质时，通过改变流场的各种特性，其在湍流的状态下的摩擦阻力会大大降低，以满足工程应用上的节能需 [1] 要 。颗粒在某些特定状况下能调制湍流，改变流动特性。这类流-固两相流广泛存在于大自然和工程应用 中，如气力和液力输运，废物排放和处理，血液循环和凝固等，是当前科学研究十分关注的领域。实验[2-3] 发现，当湍流负载颗粒数量非常少时，颗粒对湍流的调制作用可以忽略；而当颗粒数量不断增多，颗粒对 湍流的调制作用不容忽视；当微粒在流体中的容积比达到一定量级，即有可能明显地改变流场的湍流度， 而这种改变是两方面的，湍流的强度有被抑制的可能，也有被进一步激发的可能。正因为如此，国内外学 者对此截然不同的现象产生了浓厚的兴趣，希望从中研究颗粒-湍流两相之间的相互作用规律以及湍流调制 的机理，从而进一步探寻流动减阻的新途径和新方法。 本章采用点-力双向耦合模型并结合Lagrange 粒子追踪法，对负载颗粒的槽道湍流进行了直接模拟。 同时，从含颗粒作用外力项的Navier-Stokes 方程出发，推导颗粒加载湍流的阻力系数表达式。考察了较低 容积比下粒径小于Kolomogrov 尺度的颗粒对湍流结构的调制以及湍流减阻现象。 1 物理模型和数学模型 1.1 建立模型 [11] 这里设两个无限大平板之间充满粘性不可压缩流体 ，在压力梯度驱动下流动，并且其中存在大量微 细颗粒，最终达到统计意义上的稳定状态。 1) 上海市教委创新基金(09YZ03)和研究生创新基金资助项目(SHUCX102359) 2) E-mail ：E-mail: dongyh@staff.shu.edu.cn 图 1 物理模型示意图 x u v 图1 表示本文所研究的数学物理模型， 表示法向的坐标， 和 分别表示流向和展向坐标。 、 、 y z w 分别表示流向、法向和展向的速度分量。控制方程是连续方程和三维不可压缩的Navier-Stokes 方程： u 0 (1) , u 1 2 1 (u )u  p  u  F (2) t f f ,  