基于格子Boltzmann方法的撞擊流流動不穩(wěn)定性的數(shù)值研究.pdf

1、氣流床煤氣化技術(shù)在煤炭資源利用中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前,國家已經(jīng)立項兩項有關(guān)氣流床煤氣化技術(shù)的重點基礎(chǔ)研究項目,而氣流床煤氣化設(shè)備中的主要流動形式是撞擊流。撞擊流是一種滯止湍流,有別于常見的剪切湍流。因此,對撞擊流的研究,不僅有重要的理論意義,還有深遠(yuǎn)的應(yīng)用價值。
　　到目前為止,對于撞擊流的研究還不夠充分,許多基本的問題,比如撞擊流的流動不穩(wěn)定性,還沒有得到深入的研究。由于這類滯止湍流對實驗環(huán)境的要求十分苛刻,因此實驗研究

2、非常困難。近些年來,隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,科學(xué)計算已經(jīng)成為科學(xué)研究中不可或缺的重要研究手段。數(shù)值研究有望成為研究撞擊流的一種重要途徑。
　　近年來,格子Boltzmann方法已經(jīng)發(fā)展成為模擬流體流動和為復(fù)雜物理現(xiàn)象建模的新工具。與傳統(tǒng)的計算流體力學(xué)方法相比,格子Boltzmann方法具有許多獨特的優(yōu)勢,如算法簡單,邊界條件容易處理,具有良好的并行性等。另外,在湍流研究領(lǐng)域,格子Boltzmann方法還具有很多其它的優(yōu)勢,如LE

3、S計算的渦量場精度高、方法本身具有更好的旋轉(zhuǎn)不變性等。因此,格子Boltzmann方法有望成為數(shù)值研究撞擊流的有力工具。
　　目前采用格子Boltzmann方法研究撞擊流的工作較少,本文的研究工作無疑會推進格子Boltzmann方法在撞擊流中的應(yīng)用。更為重要的是,本文的工作為研究撞擊流乃至滯止湍流提供了新的方法。論文的工作主要包括以下幾個方面:
　　首先,為了模擬三維不可壓湍流流動問題,本文發(fā)展了兩類新的不可壓多松弛格子Bo

4、ltzmann模型。與已有的多松弛模型相比,新模型能更好地克服可壓縮效應(yīng),并且計算效率更高。與已有的單松弛模型相比,新模型具有更好的數(shù)值穩(wěn)定性。新模型的提出為三維湍流撞擊流的格子Boltzmann模擬提供了模型基礎(chǔ)。
　　其次,從二維撞擊流的流動不穩(wěn)定性問題出發(fā),本文采用常用的格子Boltzmann熱模型模擬了非等溫的撞擊流,研究了有無浮力作用下撞擊流的流場和溫度場結(jié)構(gòu)受流體動力學(xué)參數(shù)(理查森數(shù)、雷諾數(shù)和普朗特數(shù))的影響。在浮力作

5、用下,本文發(fā)現(xiàn)了一種新的流場和溫度場結(jié)構(gòu),即穩(wěn)定的偏斜結(jié)構(gòu)。同時,本文還發(fā)現(xiàn)了一些新的非穩(wěn)態(tài)的流場和溫度場結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)加深了對撞擊流的流動不穩(wěn)定性的認(rèn)識。
　　第三,基于上面撞擊流的不穩(wěn)定性的研究,本文還研究了入口速度分布(均勻速度和拋物線速度,實際中常見的兩種速度曲線)對撞擊流流動特性、溫度分布特性以及混合特性的影響。研究中發(fā)現(xiàn),隨著雷諾數(shù)和噴嘴間距的增大,入口速度分布對上述特性的影響越來越大。以上發(fā)現(xiàn)為撞擊流應(yīng)用中操作參數(shù)的

6、設(shè)定提供了借鑒。
　　第四,本文采用前面發(fā)展的不可壓多松弛格子Boltzmann模型,并結(jié)合基于Smagorinsky渦粘性模型的大渦模擬方法,對三維湍流撞擊流進行了數(shù)值模擬。研究了雷諾數(shù)以及噴嘴間距對撞擊流速度矢量場結(jié)構(gòu)、中心線上的速度分布和湍流統(tǒng)計量分布的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),即使在湍流流動中,撞擊流的流場也會出現(xiàn)不對稱的現(xiàn)象。其他的主要發(fā)現(xiàn)有,撞擊流中心線上的速度和某些湍流統(tǒng)計量對雷諾數(shù)的變化不敏感,且湍流統(tǒng)計量在滯止點附近取值較