利用考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型模拟气-粒两相水平槽道流动.pdf

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1、((!第!"卷!第!期!#$$"年!月利用考虑壁面粗糙度的双流体颗粒&壁面碰撞模型模拟气&粒两相水平槽道流动"张!夏!周力行清华大学工程力学系!煤的清洁燃烧国家重点实验室!北京!"""#$摘要!!建立了考虑壁面粗糙度的双流体颗粒’壁面碰撞模型3该模型包括壁面摩擦$恢复$特别是壁面粗糙度等影响碰撞的因素#因此体现了壁面上各方向N7V5?/81应力之间的相互转化$湍流动能从平均运动中得到能量以及壁面对运动的衰减作用#给出了壁面粗糙度对颗粒湍流的影响3将本模型应用于气’粒两相水平槽道流动并用M^MK测量

2、结果验证#结果表明#当前常用于颗粒相的零梯度边界条件和其他碰撞模型可能给出错误的结果#本模型则给出比较符合实际的结果3关键词!!气&粒两相流动!槽道流动!二阶矩两相湍流模型!颗粒&壁面碰撞!壁面粗糙度!数值模拟!!受限气’粒两相流动常用于工业过程中3到目前方向N7V5?/81应力之间的重新分配3实际上!壁面为止!包括二阶矩模型在内的各种两相流动双流体总是具有一定的粗糙度!其大小与粒径相当3这模型!能够很好地模拟两相时平均速度场!但还不样!当壁面被处理成光滑表面时!随着碰撞次数的&!’增加!法向速度

3、将不断减小!直到为零3但实际情能恰当地预报两相N7V5?/81应力3对于受限气’粒流动!这种结果是由两相湍流模型等很多原因引况并非如此3相反地!考虑壁面粗糙度时!从局部起的!其中一个重要原因是目前常用的颗粒相壁面看碰撞前后的速度关系仍然遵守动量定理!但是从边界条件过于简化!例如!壁面处颗粒法向速度为全局看入射速度将会在不同方向间重新分配3零!数密度%轴向%切向速度和N7V5?/81应力的法另一方面!在A-0S-507颗粒轨道模型的颗粒’&*’向梯度为零等!也就是说没有正确处理颗粒’壁面碰壁面碰撞模

4、型中!L-416,?4?等考虑了颗粒形状&#’&<’撞效应3对于颗粒’壁面碰撞并不频繁的流动!这种因素!L-416,?4?等!R16a.等!H?,,7S’&!"’&!!’简化不会引起严重误差3而对于碰撞频繁的流动!T7/8!;S-5X等利用虚拟壁面方法考虑了壁面这种简化可能会给出错误的结果3粗糙度因素!这种方法能够很好地考虑碰撞的随机%"世纪<"年代以来!人们提出了各种方法处性3尽管这种边界条件不能直接用于双流体模型!理双流体模型框架下的颗粒相边界条件3这些方法但是轨道模型中的虚拟壁面方法!能够用

5、来建立二&%($’可以分为两类#概率密度函数"M^;$方法和直阶矩双流体两相湍流模型的颗粒’壁面碰撞模型3&&!(’本文作者已经提出了考虑壁面粗糙度的双流体接积分方法3前者考虑了碰撞对壁面边界条件的影响!因此边界条件包含恢复系数和摩擦系数!颗粒’壁面碰撞模型!并将其应用于模拟突扩和旋流&!%’而后者不考虑碰撞机理!因此给出的边界条件不包气’粒两相流动3本文将这种模型应用于模拟&!)’含恢复系数和摩擦系数3但是!这些方法都没有考=611.5等测量过的气’粒两相水平槽道流动进行虑壁面粗糙度的作用!因此

6、不能正确模拟壁面上各验证3!%""&’"*’"#收稿!%""&’"#’)"收修改稿!"国家重点基础研究发展规划专项经费资助项目子课题"批准号#O!<<<’"%%%’"#$!+’,-./#b2-50d.-!.,7923-9395!第!"卷!第!期!#$$"年!月(*!!考虑壁面粗糙度的双流体颗粒&壁面碰撞!9W!9W!#S%"!K0$K)模型!!!&)0Q#S%"%0Q?%Q?%0$’KW!W!)!!利用颗粒轨道模型中考虑恢复%摩擦和壁面粗%9!S%"!K%0$C"($糙度的颗粒’壁面碰撞模型!和双

7、流体模型中的概率W!W!?#)密度函数积分方法!并考虑到任何变量的净流量等于其进入和离开壁面的流量之和!可以获得如下考"!$("($式构成二阶矩两相湍流模型的颗粒相壁虑壁面粗糙度的颗粒’壁面碰撞模型#面边界条件!式中符号的意义参见本文附录3"!$式为颗粒相数密度壁面边界条件!显然!它只与!!!Q!!W.!"!$壁面附近流场内颗粒数密度%颗粒相法向平均速%WBG%W."!K$!Z%0"!)W.$度和脉动速度均方根之比!以及碰撞过程的恢复!%9WBG"9W!K!W!?$"!Q#S$!"%$系数有关!因

8、为这几个量影响运动到壁面以及与)壁面碰撞后从壁面反弹的颗粒数量3"%$和")$式!WBG!#S%"!$!")$W!Q9W!?为颗粒相平均速度壁面边界条件3由"%$式可见!)!%&%Q?%"!K0$’3K轴向)切向平均速度不仅与入射的法向和轴向)切9SW9SWBG9SW9SW!2)Q#S)向平均速度有关!还与摩擦系数和壁面粗糙度倾!!SW!SW!"!K0$&)?%K#S%"!Q%?%$’K角有关!它随入射轴向)切向平均速度的增大!和)法向平均速度%摩擦系数%壁面粗糙度倾角的减%9SW