含高浓度悬浮固粒运动射流稳定性研究

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1、应用数学和力学,第21卷第12期(2000年12月)应用数学和力学编委会编AppliedMathematicsandMechanics重庆出版社出版文章编号:1000-0887(2000)12-1255-10X含高浓度悬浮固粒运动射流稳定性研究1,21林建忠,　周泽宣(11浙江大学力学系,流体传动及控制国家重点实验室,杭州310027;21杭州应用工程技术学院,杭州310012)(本刊编委林建忠来稿)摘要:首先用连续介质耦合模型推导出含高浓度悬浮固粒运动射流的空间稳定性方程,然后借助渐进分析法和欧拉守恒

2、差分格式,用有限差分数值解法得到不同流向位置、流场雷诺数、固粒属性和喷射装置运动速度时流场的稳定性特征曲线,说明喷射装置的反向运动使不稳定扰动频率范围扩大,正向运动则相反·　固粒抑制流场的不稳定性,随着固粒等效斯托克斯数的减小,这种效应增强·　这些结论,对于两相运动射流发展的认识有重要意义·　关　键　词:悬浮固粒;　连续介质耦合模型;　稳定性;　运动射流;　数值计算中图分类号:O359文献标识码:A术　语　表¨:梯度算子;¨·:散度算子;R…α:固气平均容积系数比;R…α=α€s/α€g;A·¨=Ax5

3、/5x+Ar5/5r+A<5/r5<;μg:气体粘性系数;R:剪切层厚度一半;Δ:拉氏算子;ΔŽ:变形拉氏算子;∞θ:剪切层动量厚度,θ=∫U(1-U)dr;上标—:平均量;上标′:表示扰动量;0U∞:喷射装置运动速度;Uo:出口速度;上标T:矢量的转置;下标i:射流区;ΔU:出口跳跃速度,ΔU=Uo-U∞;下标o:非射流区;α„:特征容积系数;Re:流场雷诺数,Re=ρgΔUR/μg;αj:j相容积系数;uj:j相速度矢量;T0:流场特征运动时间,T0=R/ΔU;p:流场压力;P:特征压力;m:固粒的

4、阻力系数;Re():取实部;Uj:j相特征速度矢量;β:实数频率;fk:直径为dk的固粒群修正系数;α:复数波数;-αi为空间放大因子,τsk:直径为dk的固粒响应时间,　决定流场的空间稳定性;2τsk=ρsdk/18μg;Cph:相速度,Cph=β/αr;Fg:气相方程中阻力系数,Fg=m/ρg;n:扰动的阶数;‰Po与‰P∞:任意复常数;Fs:固相方程中阻力系数,Fs=m/ρs;In和Kn:n阶修正贝塞耳函数;Repk:粒径雷诺数,ε:扰动的初值;ρj:j相物质密度;dkRρmax(U″+U′/r)

5、Repk=;Rρ:气固密度比值,Rρ=ρg/ρs;2(Fs+RρR…αFg)X收稿日期:2000-03-14;修订日期:2000-08-21基金项目:教育部跨世纪优秀人才培养计划基金资助项目作者简介:林建忠(1958—),男,福建建阳人,教授,博导,院长,已出版专著4部,发表论文130篇,获奖22项.1255©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1256林　　建　　忠　　　周　　泽　　宣th():双曲正切函数;Δr:

6、半径方向步长;1St=∞·　St:固粒等效斯托克斯数,T0∑Pkfk/τskk=1引　　言含有悬浮固粒的运动两相射流场广泛存在于航空航天飞行器、消防、环卫以及工业过程中·　这类流场的特性对设备运行过程的安全、效率和效益起着非常重要的作用,同时对周围的环境有着重大的影响,因而对其进行人工控制非常必要·　而要有效地控制流场,就必须掌握流场的特性及固粒对流场的作用规律,由于流场的失稳过程对流场的后续发展有直接的影响,所以弄清固粒对运动射流稳定性的影响非常重要·　图1　运动两相射流示意图　　　　　　　　　　　图

7、2　悬浮固粒粒径分布曲线[1][2]Chung&Troutt和Logmire&Eaton等关于含有固粒的湍射流的研究,表明流场拟序结[3]构对固粒扩散有影响·　基于这些研究,Logmire&Eaton证明了近喷射区固粒的扩散受到大尺度涡结构发展的影响,因此改变大尺度涡结构的发展可以控制固粒的扩散,而改变大尺度[4]涡结构的发展可采用声激初始射流剪切层来获得·　Peterson&Samet研究了中等雷诺数的圆射流在声激条件下不稳定模态的空间演化,锁相的速度扰动图形和测量的锁相的剖面与Orr2Sommerf

8、eld稳定性分析结果一致·　因此,小固粒的出现对射流湍流的影响可以借助线性稳定[5]性理论来研究·　Yang等研究了气-固两相混合层的空间稳定性,忽略气体粘性和固粒速度扰[6]动,发现固粒的存在增强了流动的稳定性·　Sykes&Lyell考虑了充满固粒的圆射流的空间稳[7]定性,再次发现了固粒对流场的稳定作用·　Ramkumar研究了小扰动下充满固粒的静止圆射流的时间和空间稳定性,得到了关于固粒属性对小扰动影响的结论,但是其考虑的固粒浓度很