湍流分离流动中的颗粒弥散机制

为了揭示颗粒在湍流分离流动中的弥散机制,采用大涡模拟方法和颗粒轨道模型,对二维后台阶分离流动中颗粒弥散进行了数值模拟研究。研究给出了不同St数的颗粒在流场中的分布以及瞬时大涡与颗粒相互作用规律,表明大尺度涡对颗粒弥散的影响依赖于颗粒的尺寸等参数。不同St数下颗粒瞬时弥散机制不同,共有3种模式:随着颗粒St数的增大顺序表现为大涡作用模式;大涡与离心力作用模式;惯性力作用模式。进一步分析得到了颗粒进入回流区是大涡与颗粒的相互作用以及壁面的存在共同导致的结果。     

双拉格朗日模型模拟气固两相双圆柱绕流

以湍流剪切层中大尺度旋涡结构与颗粒群的相互作用及运动规律为研究对象,提出了一种基于离散涡方法与颗粒碰撞模型相耦合的双拉格朗日气固两相流模型.用次循环调整颗粒运动计算的时间步长,将两相计算耦合在一起,从而解决了离散涡方法求解单相流场与颗粒运动方程的时间相容性问题.首先用颗粒在兰金涡中的运动验证了所提的算法,随后将该方法应用于高雷诺数湍流旋涡结构中的颗粒水平输运过程研究,模拟了圆柱尾迹中颗粒的沉降过程及其被旋涡卷吸、扬起和团聚的过程,说明在有大尺度旋涡存在的流场中颗粒更容易被流体向下游榆运.当来流速度与重力方向一致时,颗粒分布特性受颗粒Stokes数(St)影响.当St小于1时,颗粒响应流场变化的时间短,随St增加颗粒对流场变化的响应变得迟钝,重力所起的作用更加明显;当St远远大于1时,颗粒的分布几乎不受旋涡的影响,而与自由沉降的分布十分接近.     

圆柱尾迹中颗粒运动的直接数值模拟研究

文中首先对圆柱尾迹拟序结构进行直接数值模拟,得到高精度流场后对圆柱尾迹中的运动颗粒进行研究.通过研究不同颗粒St数,流场Reynolds数对颗粒扩散运动的影响来刻画圆柱尾迹中颗粒运动的物理机理.研究表明,由于圆柱尾流独特的涡结构特征,颗粒在圆柱尾迹中的扩散机理主要是决定于吸力作用.     

采用内嵌边界方法模拟错列管束的磨损

采用内嵌边界方法,模拟研究了不同Stokes数St的煤灰颗粒穿过槽道中10×11错列不锈钢管束时的运动情况及其对管束的磨损规律.其中,流场与管束之间的耦合采用内嵌边界技术描述,颗粒的运动采用拉格朗日轨道模型求解.结果表明,不同St的颗粒有不同的运动特点,对管束造成的磨损也不同.第1排管束的平均磨损量在St=0.01,0.1时都较小,此后磨损量随着St的增大而增大.St=0.1时,第1排圆管的磨损量最小.靠近槽道壁面两列管束的平均磨损量大于中间管束,需加强防磨措施.     

气固两相混合层卷起过程的直接数值模拟

在设定混合层卷起过程的流场初始条件下,应用拟谱方法和Lagrange方法对时间模式的两相湍流混合层进行了直接数值模拟,求解流场的瞬态涡量场和颗粒场,分析流场不同类型涡结构的拟序特征,定性研究不同大小的颗粒在混合层中受流场涡结构的影响,描述了不同Stokes数颗粒的扩散规律和浓度分布.     

加湿回流湍流扩散燃烧流场的实验研究

实验测量了加湿、不加湿状况下钝体后丙烷/空气湍流扩散燃烧流场,分析了两种燃烧流场的异同点.实验中采用粒子图像速度场(PIV)测量技术测量了钝体后加湿、不加湿扩散燃烧流场的速度分布,利用高温热电偶测量了两种流场火焰内部的温度分布,使用气体分析仪测量了两种流场的NO分布.结果表明:加湿扩散燃烧流场与不加湿扩散燃烧流场虽然总体相似,但加湿使得燃烧流场回流区中心的位置前移、回流区长度减小、燃烧区最高温度降低,并且使得燃烧室内的NO浓度降低;加湿有利于燃烧室轴向尺寸的缩小,提高了燃烧室内温度分布的均匀度,降低了污染物的排放.     

纤维悬浮混合层中纤维取向与流场应力的研究

研究了纤维在混合层流场中的运动,流场用伪谱方法求解;纤维对流场的作用体现在流体方程的附加应力张量中.数值求解在流场作用下的纤维的运动方程,得到纤维的位置和取向分布.进行了纤维取向分布的实验研究,结果与计算定性符合.研究结果表明,当St数较小时,大部分纤维聚集在涡核内,并且基本呈水平或垂直分布;而大St数下,纤维聚集在涡核边缘,呈现不均匀分布,此时纤维取向受涡核边缘的流场支配,呈现包络涡核的特征.同时,由纤维导致的流场附加应力张量的最大值和最小值出现在涡核边缘,导致流场应力不均匀.     

湍流分离流中颗粒的扩散机制

后台阶流动包含分离流重要的流动特性, 采取欧拉-拉格朗日耦合算法对后台阶分离流动中颗粒扩散运动进行数值研究. 气相场采取大涡模拟方法, 亚格子模式基于标准的Smagorinsky 模式, 颗粒相运动采取轨道法模拟. 计算所得气相的流向平均速度和平均脉动速度与实验结果吻合较好, 验证了模型和方法的正确性. 基于此, 数值分析后台阶两相流动的特性以及流场涡结构的发展和演化过程. 结果表明: 两相流中颗粒的扩散特性既受到颗粒粒径的影响, 又与颗粒和涡结构的相互作用时间有关. 后台阶流场中增加结构物时, 流场涡结构发生变化, 即与扰动源保持一定距离后, 涡数量增多, 流场中颗粒分布不均匀, 较多颗粒聚集在涡的外缘.     

铁磁纳米颗粒系统磁性质对尺寸和各向异性效应的依赖

研究了随机分布颗粒系统的尺寸、各向异性、矫顽力和温度之间的关系.从FexCu1-x,Fe/SiO2,Fe/Al2O3颗粒膜实验结果入手,以Néel-Bron理论和Storner-Wohlfartly模型为依据,建立了描述细磁性颗粒矫顽力Hc与颗粒大小d、热力学温度T的函数关系,并得出在粒径小于dm(=18~20 nm)范围内,矫顽力随着颗粒的尺寸的增加而迅速地增大,而在颗粒尺寸大于这个范围,则按照Hc∝1/d规律变化.       

旋转流场中颗粒群的运动特性

建立了颗粒群在部分充液旋转容器内水相中运动的非稳态理论模型并进行数值模拟,研究了旋转流场中颗粒群的运动特性.分析了旋转容器内流场、颗粒群演化、颗粒运行轨迹及液体黏度和颗粒密度对颗粒群在水相中分散性能的影响.通过将数值模拟得到的流场中颗粒及速度分布与文献实验数据进行对比,验证了所建立理论模型的合理性.研究结果表明:在旋转容器内水相流场中存在涡流,颗粒群在旋转流场及涡流的作用下运动并逐渐分散至整个水相区域.随着液体黏度的增加,颗粒群在旋转容器内水相中分布更加均匀;颗粒密度的增加,导致颗粒分散驱动力下降,使得颗粒群聚集在水相的旋出侧附近.     

金纳米颗粒烧结的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了不同尺寸Au纳米颗粒在烧结过程中晶型转变及烧结颈长大机制.研究发现纳米颗粒的烧结颈生长主要分为两个阶段:初始烧结颈的快速形成阶段和烧结颈的稳定长大阶段.不同尺寸纳米颗粒烧结过程中烧结颈长大的主要机制不同:当颗粒尺寸为4 nm时,原子迁移主要受晶界(或位错)滑移、表面扩散和黏性流动控制;当尺寸在6nm左右时,原子迁移主要受晶界扩散、表面扩散和黏性流动控制;当颗粒尺寸为9 nm时,原子迁移主要受晶界扩散和表面扩散控制.烧结过程中Au颗粒的fcc结构会向无定形结构转变.此外,小尺寸的纳米颗粒在烧结过程中由于位错或晶界滑移、原子的黏性流动等因素会形成hcp结构.     

明渠水流泥沙含量垂线分布规律的研究

在分析泥沙颗粒含量分布特性的基础上,指出扩散理论能较好地描述主流区的泥沙含量分布规律,但在近底流区由于泥沙碰撞切应力的存在,使得扩散理论不能解释此区域的泥沙含量分布规律.进而在引入颗粒碰撞扩散的基础上,对泥沙颗粒扩散理论进行修正,从而在理论上得到了挟沙水流泥沙含量分布规律的公式.与实测资料对比表明,该公式能更好地描述包含主流区与近底流区在内的泥沙含量分布规律.     

单纤维对惯性颗粒稳态过滤捕集效率的数值模拟分析

采用计算机对单纤维稳态过滤捕集效率进行模拟分析,所选研究对象为惯性单分散颗粒,模拟分析中考虑拦截机理及碰撞机理作用,同时忽略扩散机理的影响.采用Kuwabara流场来表征单纤维表面的气流绕流特征,以计算粉尘颗粒运动的轨迹,计算分析了斯托克斯数St、拦截系数R及填充率c对稳态单纤维捕集效率的影响.研究结果表明:单纤维稳态过滤捕集效率均随St、R及c的增大而增大,单纤维稳态过滤捕集效率与填充率近乎呈线性增加的关系.模拟计算结果与文献研究结果基本吻合.     

离心泵内部盐析晶体颗粒分布特性

在两相混合模型的基础上,加载群体平衡模型,采用分组法对离心泵内部盐析两相流场进行数值模拟,得到了3种不同工况各尺寸盐析晶体颗粒的分布特性.预测了离心泵内液固两相流场中晶体颗粒的分布规律,与本项目前期试验结果总体趋势比较吻合,验证了群体平衡模型用于模拟伴有盐析现象两相流动的可行性.计算结果表明:叶片流道内,从压力面至吸力面颗粒平均粒径逐渐减小,流量增加,粒径较大颗粒向压力面聚集现象更加显著;涡室内颗粒平均粒径呈现的分布特征:主流区最小,内壁附近较大,离叶轮较远的壁面拐角处最大.此外,受相间传质及颗粒微观行为影响,不同粒径颗粒的组分数分布差异较大,从叶轮进口至出口,大粒径颗粒组分数逐渐增高,而中、小粒径颗粒的组分数分布趋势与之正好相反.     

混合与孔板通风下隔离病房内气溶胶扩散特征

对采取混合通风及孔板通风策略下的典型隔离病房内气流组织及气溶胶扩散过程开展了数值模拟研究,以探讨通风策略对病房中气溶胶扩散与沉积的影响．进一步研究了气溶胶颗粒粒径及孔板通风的多孔板开孔率对气溶胶分布的影响．利用文献中试验数据验证了所采用数值模型的准确性．结果表明：相比于混合通风,孔板通风策略可以使病房内的流场、温度场分布更加均匀,并且能加速气溶胶颗粒排出,从而有效降低医护人员的交叉感染风险;小粒径气溶胶颗粒更容易受到流场影响,在病房内扩散悬浮,而大粒径的气溶胶颗粒更容易沉积在地面和病床上;当采取孔板通风时,减小开孔率可以加速气溶胶颗粒的沉积和排出,减少颗粒物在室内的悬浮,降低空气中的病毒感染风险．     

层流搅拌槽内柱状单颗粒运动特性的研究

为了完善固液搅拌槽内非球形颗粒运动特性的基础数据,利用摄像法对带有圆盘桨的层流搅拌槽内柱状单颗粒的运动过程进行可视化实验,使用图像处理方法量化颗粒运动,分析了颗粒的尺寸对颗粒运动特性的影响,并采用基于格子玻尔兹曼方法的直接数值模拟解析颗粒运动和槽内流场。研究结果表明：颗粒净重力和颗粒周围流场分布共同影响颗粒临界悬浮所需的搅拌雷诺数和黏性Shields数;颗粒偏离槽底中心运动是颗粒悬浮前的必要步骤;由颗粒周围压力梯度引起的悬浮力是颗粒上升的重要原因;颗粒在桨盘底部区域的运动轨迹、颗粒-桨盘间距和运动跟随性受颗粒长径比的影响。     

高岭土吸附重金属蒸气的分布规律

根据总尺寸不变多孔固体与气体反应机理,综合考虑气体与固体之间的化学反应和物理扩散对吸附的影响,建立了高岭土吸附重金属蒸气的通用模型,重点研究吸附剂对重金属的吸附分布规律,结果表明吸附剂颗粒中尺寸对化学反应速率和转化很大影响,小颗粒吸附剂的化学速率相对要大,且在相等的时间内吸附剂的转化率相对要高。     

液固循环床提升管中颗粒停留时间分布及扩散特性

在直径80mm、高度8000mm的液固循环床提升管中,采用脉冲磷光示踪技术对颗粒停留时间和扩散特性进行了研究.考察了表观液速和颗粒循环速率对颗粒停留时间分布和扩散特性的影响,并对液固循环床提升管和气固循环床提升管中颗粒停留时间分布进行了比较.结果表明在液固循环床提升管中,颗粒停留时间分布为-尖而窄且对称无拖尾的单峰分布,颗粒停留时间分布相对均匀,颗粒扩散相对较小,液固流动接近于平推流;颗粒轴向扩散从入口到出口逐渐增大,而颗粒径向扩散从中心到边壁较为均匀;颗粒轴向Peclet数随表观液速和颗粒循环速率变化较小.     

多孔材料热风干燥过程中收缩特性研究

为了更好的研究多孔材料热风干燥过程中内部干燥特性,将干燥过程中整体体积、尺寸收缩比与平均干基含水率的函数关系运用到内部各单元层。以胡萝卜颗粒为例,建立了干燥中物料内部各单元层收缩模型。运用MATLAB编程的方法对胡萝卜颗粒内部各单元层体积和尺寸变化及分布规律进行数值模拟计算。模拟结果表明:片状胡萝卜颗粒在热风干燥过程中随着水分不断对外扩散迁移、干基含水率降低的过程中,表单元层由于水分首先扩散蒸发到热空气中而首先收缩,内部单元层水分滞后扩散蒸发而滞后收缩;外部单元层水分扩散速率大于内部单元层,边界收缩位移量最大。通过实验对模拟结果进行验证,验证结果表明此模型可以用来表述干燥过程中多孔材料内部收缩特性变化规律。     

气固两相流绕流螺旋翅片管的实验研究

应用三维颗粒动态分析仪(PDA)对气固两相流绕流螺旋翅片管进行了实验研究.实验采用的颗粒为玻璃飘珠,对翅片间的速度和颗粒密度分布规律进行了测量.结果表明:在翅片之间,固相颗粒密度分布呈抛物线形规律性分布,即在远离翅片的中心区域颗粒密度较大,离两侧翅片较近的区域颗粒密度逐渐减小,近翅片区域颗粒密度要比中心区域小很多;主流速度也呈现类似规律.颗粒密度和速度的这种分布规律降低了固体颗粒对翅片壁面的撞击能量,从而减轻了翅片和基管的磨损.实验数据表明,螺旋翅片的导流作用使得迎风面的滞点处产生了轴向速度,这和光管有着本质的区别.