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1、顆粒兩相流運(yùn)動(dòng)廣泛存在于自然界和工業(yè)應(yīng)用中,對(duì)顆粒兩相流運(yùn)動(dòng)特性的深入和全面的了解具有重要的學(xué)術(shù)意義和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。然而,盡管長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)該領(lǐng)域已進(jìn)行了大量研究,仍有許多基礎(chǔ)問(wèn)題亟待解決。目前,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者采用各種直接數(shù)值模擬方法,如虛擬區(qū)域法(DLM)、格子波爾茲曼法(LBM)、有限元任意拉格朗日——?dú)W拉法(ALE)等和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)圓形(球形)顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了大量研究。但是,對(duì)超常顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)特性的研究則相對(duì)較少。事實(shí)上
2、,實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的顆粒很少是圓形。目前,超常顆粒多相流因其普遍性和非各向同性帶來(lái)的復(fù)雜性已逐漸引起人們的興趣。為了深入了解方形顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)特性,本文采用有限元ALE方法對(duì)方形顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行直接數(shù)值模擬,對(duì)各種參數(shù)條件對(duì)方形顆粒的運(yùn)動(dòng)特性的影響進(jìn)行分析和比較。
首先,對(duì)方形顆粒在牛頓流體中的沉降特性進(jìn)行數(shù)值研究。模擬結(jié)果表明:①方形顆粒在牛頓流體中沉降時(shí),顆粒雷諾數(shù)存在一個(gè)臨界值。當(dāng)顆粒雷諾數(shù)小于臨界值時(shí),
3、方形顆粒的穩(wěn)定取向角為長(zhǎng)邊平行于重力方向;當(dāng)顆粒雷諾數(shù)大于臨界值時(shí),方形顆粒的穩(wěn)定取向角為長(zhǎng)邊垂直于重力方向。并且在顆粒雷諾數(shù)大于該臨界值時(shí),隨著顆粒雷諾數(shù)的增大,方形顆粒會(huì)經(jīng)歷無(wú)過(guò)沖、阻尼振蕩和永久振蕩幾個(gè)不同的沉降過(guò)程。②顆粒雷諾數(shù)的臨界值隨著阻塞比和長(zhǎng)寬比的增大而減小。③初始取向角增大會(huì)導(dǎo)致方形顆粒的取向角、沉降速度、角速度以及橫向漂移速度的振幅都將增大。④長(zhǎng)寬比對(duì)方形顆粒的沉降過(guò)程的影響與長(zhǎng)寬尺寸有關(guān),但方形顆粒的最終沉降速度將
4、隨著長(zhǎng)寬比的增大而減小。⑤壁面約束會(huì)使曳力系數(shù)增大,且該效應(yīng)隨著顆粒雷諾數(shù)的增大而減小。此外,曳力系數(shù)隨著長(zhǎng)寬比的增大而增大。⑥多個(gè)方形顆粒在沉降過(guò)程中由于顆粒之間的相互作用存在,會(huì)出現(xiàn)“倒T形”結(jié)構(gòu),并且隨著時(shí)間的推移,逐漸趨向于水平取向。
其次,對(duì)方形顆粒在黏彈性流體中的沉降特性進(jìn)行數(shù)值研究。模擬結(jié)果表明:①方形顆粒在黏彈性流體中沉降時(shí),彈性數(shù)存在一個(gè)臨界值。當(dāng)彈性數(shù)小于臨界值時(shí),方形顆粒的穩(wěn)定取向角為長(zhǎng)邊垂直于重力方
5、向;當(dāng)彈性數(shù)大于臨界值時(shí),方形顆粒的穩(wěn)定取向角為長(zhǎng)邊平行于重力方向。②彈性數(shù)的臨界值隨著長(zhǎng)寬比的增大而減小,隨著阻塞比的增大而增大。③彈性數(shù)一定時(shí),方形顆粒在沉降過(guò)程中的橫向漂移隨著初始取向角的增大反而有所減小。④方形顆粒的最終沉降速度隨著長(zhǎng)寬比的增大而減小,隨著阻塞比的增大而增大。⑤初始時(shí)刻以垂直取向角上下排列的兩個(gè)方形顆粒在黏彈性流體中沉降時(shí),兩個(gè)顆粒接觸后將一直保持接觸以垂直取向角一起沉降。
最后,對(duì)方形顆粒在簡(jiǎn)單剪
6、切流中運(yùn)動(dòng)時(shí)的橫向漂移進(jìn)行數(shù)值研究。模擬結(jié)果表明:①初始位置和流體性質(zhì)對(duì)方形顆粒的平衡位置沒(méi)有影響。當(dāng)方形顆粒在Couette流中運(yùn)動(dòng)時(shí),其最終平衡位置為通道中心線處;當(dāng)方形顆粒在Poiseuille流中運(yùn)動(dòng)時(shí),其最終平衡位置為Y/W=0.29處。②當(dāng)方形顆粒在Couette流中運(yùn)動(dòng)時(shí),慣性驅(qū)使方形顆粒向通道中心線處運(yùn)動(dòng);③彈性對(duì)方形顆粒的橫向漂移的影響與流體流動(dòng)形式有關(guān)。方形顆粒在Couette流中運(yùn)動(dòng)時(shí),彈性數(shù)可能存在某個(gè)臨界值。方
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