颗粒绕流流动与受力特性的格子Boltzmann模拟研究

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颗粒流体系统广泛存在于工业中,例如流体流经固定颗粒床、固体颗粒流态化及密闭管道中的气力输送等。两相流动往往伴随传热、传质和化学反应等过程,致使颗粒与颗粒、颗粒与流体之间的动力学特性相当复杂,需要对颗粒流体复杂的局部环境及颗粒流体的作用机理进行研究以便更有效地设计、改进和控制生产过程。本文以颗粒流体系统的基本单元——双颗粒、四颗粒绕流现象为研究对象,数学模型采用格子Boltzmann方法D2Q9模型,计算域出、入口及上、下壁面的边界处理采用非平衡外推法,颗粒曲表面的处理采用结合空间插值的非平衡外推法,流固表面受力的计算采用动量交换法。基于C++平台自编程序,研究了不同颗粒间距、颗粒排布方式和不同雷诺数下的流动模式与受力特性的变化规律。研究结果表明:(1)Re=200时,并列排布下,流动模式按间距比可分为单体模式、间隙流模式、平行涡街模式,临界间距比分别为1.2和2.2。不同流动模式内,两颗粒的平均曳力系数(CD)均随着间距比的增大而减小。平均升力系数(CL)随间距比的增大而减小,表明间距比越大,上下排颗粒互斥作用越弱。串列排布时,流动模式按间距比可分为单体模式、再附着模式、双脱落模式,临界间距比分别为2.0和4.1。在单体模式和再附着模式内,上游颗粒的CD值随着L/D增大而减小,下游颗粒的CD值为负值,此时两颗粒相互吸引。在双脱落模式内,上、下游颗粒的CD值均随着L/D增大而缓慢增大,表明两颗粒间引力减弱。(2)四颗粒绕流流动模式及受力特性与Re、间距比及排布方式有关。正形排布时,流动模式分为单体模式、稳定屏蔽模式、摆动屏蔽模式及涡脱落模式四种,临界间距的划分受Re的影响,Re越小越滞后。流动模式的转变是CD、曳力系数均方根、升力系数均方根发生突变的主要原因。随间距增大,上游颗粒CD值渐小,而下游颗粒CD值渐大,表明上游颗粒所受曳力的一部分转移到下游颗粒上。菱形排布的流动模式随颗粒间距比的增大可以分为单体模式、狭窄间隙流模式、涡冲击模式三种,临界间距的划分同样受Re的影响,Re=200时临界间距为1.2和2.5,Re=100时为1.2和3.5。流动模式的过渡会导致各颗粒受力系数的显著跳跃。本文的研究结果为进一步研究大规模、形状复杂、排布方式混乱、高雷诺数下的颗粒群的输运特性提供了参考。
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