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多相流动的数值模拟研究,探索先进,准确的数值模拟方法,是多相流科学领域发展的一个重要方向。由于直接数值模拟方法能比较精确地同时给出微观和宏观信息,从而使我们能更清楚地认识各种流动现象,因而得到研究者越来越多的重视。本文对单个及多个颗粒在静止流体中的自由沉降,来流作用下的悬浮和流化,运用拉格朗日乘子/乘子虚拟区域法(DLM/FD)进行了直接数值模拟。
本文的结果表明,DLM/FD法是直接数值模拟颗粒流的有效手段。本文利用该方法准确模拟出了颗粒与水之间的耦合作用,得到了与实验相符的单颗粒沉降时在近壁面处的转动特点。模拟结果还说明了壁面对此颗粒运动的影响,发现颗粒在两个相距不远的竖直壁面中运动时,其水平方向存在一个在两壁面中央附近的平衡位置。本文还发现当颗粒运动与流体相对速度相差较大时会产生的尾涡,并且当尾涡脱落时,会导致颗粒在横向上摆动。这些涡的脱落,配对,对流场影响很大。在来流作用下,颗粒会悬浮。通过对不同来流情况下颗粒运动的模拟表明:悬浮时颗粒所受到流体力与其所处高度有关,具体原因有待进一步分析。多个不同密度颗粒同时沉降与流化的模拟结果表明,不同密度的颗粒会在运动过程中分层。
本文的研究说明,对于颗粒和颗粒问的相互作用规律、颗粒和流体间的紧密耦合作用等目前通过实验难以直接、准确测量的流动细节,可以通过直接数值模拟来进行研究,并为进一步理解颗粒悬浮流本构关系提供基础。