【摘 要】
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颗粒流体两相湍流广泛存在于自然界和包括能源动力领域在内的各种工业过程中。研究湍流场中耗散尺度颗粒的湍流调制作用,对构建更完善的颗粒流体两相湍流相间作用模型具有重要意义,同时能帮助人们更好地理解相关自然现象和优化相关工业设备。由于颗粒流体两相湍流之间相互作用的复杂性,同时两相流动的实验测量数据不够丰富,目前耗散尺度颗粒对湍流调制作用的认识并不充分。本文在水平振荡双格栅湍流系统中,基于粒子图像测速技术
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颗粒流体两相湍流广泛存在于自然界和包括能源动力领域在内的各种工业过程中。研究湍流场中耗散尺度颗粒的湍流调制作用,对构建更完善的颗粒流体两相湍流相间作用模型具有重要意义,同时能帮助人们更好地理解相关自然现象和优化相关工业设备。由于颗粒流体两相湍流之间相互作用的复杂性,同时两相流动的实验测量数据不够丰富,目前耗散尺度颗粒对湍流调制作用的认识并不充分。本文在水平振荡双格栅湍流系统中,基于粒子图像测速技术(PIV)获得均方根速度、湍动能、耗散率、湍流强度、各向同性比、湍流长度和时间尺度、能谱等湍流统计特征参数的变化规律,并对水平振荡双格栅系统湍流特性变化规律和耗散尺度颗粒对各向同性湍流调制作用进行研究,得到如下主要结论:(1)在格栅行程1.6~5 cm、振荡频率0.5~2.5 Hz和格栅间距9~21 cm的条件下,水平振荡格栅系统可以在中心产生4 cm×4 cm的均匀各向同性湍流区域。大行程、高频率和短间距时系统产生湍流的均方根速度、湍流强度、湍动能、耗散率、特征雷诺数等更大,对应的湍流长度和时间尺度则更小,系统可以产生耗散尺度在188~1358μm之间的湍流。(2)当颗粒体积分数为0~0.1%时,150、270、500μm颗粒对均方根速度、湍流强度、湍动能、湍流尺度等特征参数的增强作用随着颗粒体积分数的增大而增大,大直径颗粒对湍流的增强作用愈加显著。在格栅雷诺数为805~3220范围内,颗粒对湍流具有增强作用,颗粒的存在会引起颗粒周围速度发生明显波动,产生额外的湍流小涡旋,从而形成对湍流的调制作用。(3)在耗散尺度为227~719μm范围的湍流内,大直径颗粒会增大湍流的均方根速度、湍流强度和湍动能耗散率,减小涡翻转时间,小直径颗粒则倾向于削弱湍流。随着颗粒直径和耗散尺度之比的增大,颗粒对湍流强度和湍动能的增强作用越大。对湍流强度和湍动能最大的增强作用分别135.6%和439%,最大削弱作用分别为74%和87.1%。对于270和500μm颗粒,在颗粒直径和耗散尺度之比大于1后,颗粒则具有较大的增强作用。本文通过PIV验证了水平振荡双格栅系统湍流的良好各向同性以及特征参数变化规律,获得了耗散尺度颗粒在不同体积分数、格栅雷诺数和湍流耗散尺度下对湍流特征参数调制作用以及颗粒周围精细流场分布,为颗粒流体两相湍流相间作用模型的开发和验证提供一定的实验数据参考。
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