气固两相流中气体湍流强度的研究

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1、1998年1月JOURNALOFXI′ANJIAOTONGUNIVERSITYJan.1998气固两相流中气体湍流强度的研究魏进家姜培正胡春波(西安交通大学,710049,西安)摘要在气固两相流的流体相湍流模型中计入颗粒尾迹影响,采用低雷诺数模型,对竖直上升管中气固两相流动进行了数值模拟,较好地揭示了流体相湍流强度随颗粒大小、体积浓度变化的规律.关键词气固两相流颗粒尾迹湍流强度中国图书资料分类法分类号O359StudyonGasTurbulenceIntensityinGas2SolidTwo2PhaseFlowsWeiJinjiaJiangPeizh

2、engHuChunbo(Xi′anJiaotongUniversity,710049,Xi′an)Thispaperperformedanumericalsimulationforgas2solidtwo2phaseupflowinaverticalAbstractpipewithlow2Reynoldsnumbermodelbyincorporatingtheeffectsofwakesbehindtheparticlesintothegasturbulentmodel.Thevariationcharaderofgasturbulenceinten

3、sitywiththesizeandconcentrationofparticleswerewellrevealed.Keywordsgas2solidtwo2phaseflowstheparticleswakesgasturbulenceintensity气固两相流动广泛存在于自然界和许多工业部门,如含尘风机、管道输送、旋风分离器、流化床等,因而研究气固两相流动规律具有重要的意义.对气固两相流动建立适当的流动模型进行数值模拟,以预测两相流动规律,已是两相流研究的一个热门课题.目前的两相流数值研究普遍采用双流体模型,该模型中的流体相湍流模型是通过借鉴单

4、相流体而推得的,从而未能计入大颗粒尾迹的影响,使流体相湍流强度的数值预测值始终因颗粒存在而降低,这与Tsuji等1所得的颗粒较大时流体相湍流强度反而增强的实验结果不符.因此,不计入大颗粒尾迹对湍流强度的增强效应这一物理事实,是不能较正确地预测流体相湍流强度的.Gore等2通过总结分析大量实验数据,提出用颗粒直径与流体湍流涡长度尺度的比值来判断流体相湍流强度是否因颗粒存在而增强,当该比值大于临界值011时,湍流强度增强,反之则减小;Hetsroni3则提出当颗粒雷诺数大于400时,流体相湍流强度因颗粒尾迹而增强.但这些都不能定量地表示湍流强度因颗粒存在的

5、改变值.Yarin等4研究了颗粒尾迹对湍流强度的影响,得到了定量的表达式,但只是通过对实验数据的分析来研究由于颗粒尾迹而引起的湍流强度的经验关系式,实际上湍流强度还与流体平均速度梯度有关,因此未能全面考虑流体相的湍流强度.本文则是将文献4的研究结果应用于流体相湍流模型中,并考虑颗粒对流体湍动能的耗散作用,进行数值模拟,较全地研究了颗粒大小、浓度高低对流体相湍流强度将(5)式代入(4)式得ΔKf=35.035Ω(ρpdg)/(ρfCD)(αp/αfC3/2)8/9影响规律,从而为完善流体相湍流模型打下基础,D气固两相流动数值模拟更接近于工程应用实际.(6

6、)将该项加入(2)、(3)式得控制方程SK=G-αρε-D+ΔK(7)εffkfffefεfSε=C1(Gk+ΔKf)-C2(αfρfεf+De)f本文采用文献5中的两相双流体湍流模型,流KfKf相采用Kf2εf模型,颗粒相采用局部追随模式,颗(8)由于颗粒的存在使流体相在壁面的速度分布律已大为改变[6],故本文采用低雷诺数模型,以解决壁面函数不再适用的困难.本文借用了文献[7]中处理单相流体的观点,在控制方程扩散系数中计入分子扩散系数,同时(7)、(8)式变为间的相互作用通过引入颗粒温度Tp方程来加以1虑,Tp表示单颗粒脉动的强弱,Tp=u″2,其中

7、p3为单颗粒脉动速度.任意曲线坐标系下,稳态的气固两相流动方程表示为[5]SK1/22Gk-αfρfεf-De+ΔKf-2μf(5Kf/5y)(9)=flm5Φk5Φl5Xl[αρkkJ(UkΦk-υΦg5Xm)]=JSkkεfε=C1f1(Gk+ΔKf)-C2f2(αfρfεf+Sf(1)Kf中αk、ρk分别为相k的体积浓度和密度;k=f、pDe)εf/Kf+2μfμt(52Uf/5y2)(10)别表示流体相和颗粒相;J为Jacob行列式;glm为式(9)、(10)分别为计入了颗粒尾迹对流体相湍流强变度量张量;Ul为相k速度的逆变分量;υ为度影响的流

8、体相Kf、fε方程的源项.其中右边最后Φkk一项为考虑壁面处湍流耗散各向异性的附加项;μt、的