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兩相流動力學跟蹤研究畢業(yè)設(shè)計論文-資料下載頁

2025-06-22 21:38本頁面
  

【正文】 及對環(huán)境保護的日益重視,對兩相流理論和應(yīng)用技術(shù)起到了極大發(fā)展作用,并日益成為科學工作者們關(guān)注的焦點學科。但因為二相流體系是一個非線性的復(fù)雜系統(tǒng),想要測量其參數(shù)都很不容易,在許多的狀況下,這也是導致二相流的測量技術(shù)成為當前二相流研究時的一個重要的制約性原因。和單相流動系統(tǒng)相比,在二相流動體系中,流動特性比較復(fù)雜的,而且流動參數(shù)的特征變化也多種多樣,流動的狀態(tài)復(fù)雜多變,而且?guī)в幸欢ǖ碾S機性,導致參數(shù)測量的比較困難。為此,世界各地的學者們都做了許多的研究工作。理想的二相流動測量方法,除不干擾流動外,應(yīng)能同時測量兩相的速度,測量分散相的濃度及分辨其粒度。從這些要求來看,光學方法具有明顯的優(yōu)點。到目前為止,使用比較多的檢測方法大概有以下幾類:(1) 輻射線技術(shù);(2)激光多普勒技術(shù)(LDA);(3)核磁共振技術(shù)(NMR); (4)超聲波技術(shù);(5)微波技術(shù);(6)光纖技術(shù);(7)脈沖中子活性示蹤技術(shù);(8)相位多普勒粒子分析儀測量技術(shù)(PDPA測量技術(shù));(9)粒子成像測速技術(shù)(PIV測量技術(shù))等等。第四章 兩相流數(shù)值模擬167。 數(shù)值模擬步驟及方法一、數(shù)值模擬步驟:數(shù)值模擬的過程大致可分為以下幾個步驟:建立基本守恒方程,即連續(xù)方程、動量方程以及能量方程等;建立或選擇合適的模型;確定初始和邊界條件;劃分網(wǎng)格,利用GAMBIT或ICEM制作合適的網(wǎng)格;選擇求解方法及計算技巧;數(shù)值模擬結(jié)果與實驗對比。流程圖如圖41。建立或選擇合適的模型確定初始和邊界條件劃分網(wǎng)格選擇求解方法和計算技巧數(shù)值模擬結(jié)果與實驗對比 圖41 數(shù)值模擬過程二、數(shù)值模擬方法: 數(shù)值模擬的方法一般分為兩種:①歐拉法,該方法將物質(zhì)當做連續(xù)介質(zhì),所對應(yīng)的Euler方程式依據(jù)連續(xù)性理論而得到的;②拉格朗日法,該方法將物質(zhì)當做是離散的,在質(zhì)點運動的過程中,可以跟蹤觀察質(zhì)點的運動規(guī)律及變化過程。在兩相流的數(shù)值模擬中,通常用一下兩種來處理: EulerEuler方法,在該方法中我們假定各相(連續(xù)相、離散相)都是連續(xù)的,并且當做是統(tǒng)計上的連續(xù)。因為流動過程中有兩種流體,而且我們又不可能對兩相進行逐點求解,因此在特定的時間與空間上對其展開平均求解的方法。它都是在Euler框架下對連續(xù)相和離散相求解納維斯托克方程和顆粒相守恒方程的。目前為止,該方法在實際應(yīng)用中是最多的。 Eulerlagrange方法,這種方法也可以稱作是軌道模型法或者離散相模型法,它是在Euler框架下對連續(xù)相求解納維斯托克方程的,在lagrange框架下對顆粒相求解顆粒軌道方程的。離散化方法167。 有限體積法有限差分法有限元法 圖42 離散化方法 如上圖所示,數(shù)值模擬過程中常用的離散化方法:有限差分法、有限元法、有限體積法。FLUENT中使用的是有限容積法,而且是應(yīng)用最為廣泛的一種離散化方法。 本節(jié)針對一維穩(wěn)態(tài)問題的有限體積法原理進行了詳細的介紹,有限體積法(FVM)就是將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格,并使每個網(wǎng)格點周圍有一個互不重復(fù)的控制體體積將待解微分方程對每一個控制體積積分,從而得出一組離散方程。圖43一維問題的有限體積法計算網(wǎng)格圖41給出了一維問題的有限體積法的計算網(wǎng)格,其中的節(jié)點代表了控制體積,在離散的過程中,控制體積上的物理量被定義并儲存在每一個節(jié)點上。離散方程:記為: 對于一維問題,控制體積界面e和w處的面積Ae和Aw均為1,即單位面積,這樣。 離散格式:使用有限體積法建立離散方程時,很重要的一步是將控制體界面上的物理量及其導數(shù)通過節(jié)點物理量插值求出。引入插值是為了建立離散方程,不同的插值方式會有不同的離散結(jié)果,因此插值方式常稱為離散格式。本文所使用的是一階迎風格式,因為所選用的噴管模型比較簡單,而且模擬的目的在于分析加速度對推力的影響規(guī)律,所以采用一階迎風格式就能滿足精度需要。一階迎風格式的對流擴散方程的離散方程:式中: 此處,界面上未知量恒取上游節(jié)點的值,而中心差分格式取上、下游節(jié)點的算術(shù)平均值。這是兩種格式的基本區(qū)別。由于這種迎風格式具有一階截差,因此稱作一階迎風格式。一階迎風格式的特點以及適用性:一階迎風格式的優(yōu)點是:考慮了流動方向的影響,前述離散方程系數(shù)和永遠大于零,因此在任何條件下都不會引起解的振蕩,永遠都可得到在物理上看起來都很合理的解,沒有中心差分格式中的的限制。不足之處:迎風差分簡單地按界面上流速大于還是小于零而決定取值,但精確解表明界面上的值還與數(shù)的大小有關(guān);迎風格式中不管的大小,擴散項永遠按中心差分計算。但是,當巨大時,界面上的擴散作用接近于零,此時迎風格式夸大了擴散項的影響,因此迎風格式在大的值條件下過高的估計了擴散值。一階迎風格式所生成的離散方程的截差等級比較低,雖然不會出現(xiàn)解的振蕩,但也常常限制了解的精度。除非采用相當細密的網(wǎng)格,否則,計算結(jié)果的誤差較大。167。 數(shù)值模擬的數(shù)學模型中,公式多種多種,大都是類同的,本質(zhì)形式都是不變的,下面將其總結(jié)為兩種形式的守恒方程:粘性的NS方程和無粘的Euler方程,然后在這兩類方程中有分為守恒和非守恒的形式。一、粘性流動的NS方程 所謂粘性流動,就是考慮了流動過程中存在的輸運現(xiàn)象,即將流動時產(chǎn)生的摩擦、熱傳導以及質(zhì)量擴散等計算在內(nèi)。連續(xù)性方程: 非守恒形式: (41)守恒形式: (42)動量方程: 非守恒形式: X方向: (43) Y方向: (44) Z方向: (45) 守恒形式:X方向: (46) Y方向: (47) Z方向: (48) 能量方程: 非守恒形式: (49) 守恒形式: (410) 無粘流歐拉方程 無粘就是忽略耗散、粘性輸運、質(zhì)量擴散以及熱傳導的流動。將以上粘性流動方程中的摩擦和熱傳導項去掉后,就得到了無粘流動的方程。 連續(xù)性方程 非守恒形式: (411) 守恒形式: (412) 動量方程非守恒形式: X方向: (413) Y方向: (414) Z方向: (415) 守恒形式:X方向: (416) Y方向: (417) Z方向: (418) 能量方程: 非守恒形式: (419) 守恒形式: (420) 167。 兩相流數(shù)值模擬模型 目前,兩相流有許多種模型,最早期的單顆粒動力學模型,還有將兩相流當做一種流體的單流體模型,小滑移模型,求解截面問題的VOF模型,求解精度高的湍流模型,以及應(yīng)用最廣泛的雙流體模型等。下面是對以上模型的詳細介紹。167。單顆粒動力學模型是一種研究顆粒懸浮體二相流最簡單的模型,也是最早期的模型。它不考慮粒子對流體流動的作用,而且把流場作為已知的條件,只需要考慮彼此不相干的單個顆粒在流場中的受力和運動,同時也不需要考慮顆粒的脈動。然而該模型對研究分析單顆粒是具有重要作用的,比如,在我們研究分析復(fù)雜湍流兩相流狀態(tài)時,就可以將此模型的分析所得的結(jié)果及規(guī)律作為實際二相流中所包括的基本現(xiàn)象的一部分。167。單流體模型(Single Fluid Model,SF),也稱無滑移模型( No Slip Model,NS),是英國工學院Spalding教授在20世紀70年代初提出的。單流體模型的建立是以Euler框架為基礎(chǔ),在二相流動的系統(tǒng)中,我們認為粒子的速度與所屬地區(qū)流體的速度勢相等的;在擴散系數(shù)上,我們還假定兩相流中粒子的紊流擴散系數(shù)的大小等于當?shù)亓黧w的紊流擴散系數(shù);另外,粒子的溫度和所屬地區(qū)的流體的溫度也是相同的(也可以說是粒子的溫度保持不變,即粒子的能量不會發(fā)生變化)。如果兩相流滿足以上條件的假設(shè),則就可以將氣固兩相流當成一種特殊的單相流體,從而使控制方程得到大大的簡化。在此模型中,因為兩相之間不存在相對滑移的情形,所以在它的控制方程中也就沒有了動量守恒方程以及能量守恒方程這兩項,因此,只要得到粒子相的連續(xù)性守恒方程就可以了。單流體模型的做突出的優(yōu)點就是形式簡單計算方便,但是,由于他沒有考慮速度及溫度的滑移而且在大數(shù)情況下懸浮體中的流體與顆粒之間總會存在速度差和溫度差,特別是在起始階段差別可以很大,因此,其計算結(jié)果與工程實際差別較大,只有當顆粒尺寸很小時,才能得到滿意的結(jié)果。目前,該模型已很少現(xiàn)實生活和工程中應(yīng)用。167。在小滑移模型中,我們認為粒子群體是連續(xù)不離散的,即根據(jù)兩相流的擬流體假設(shè)理論而構(gòu)建的。在此模型中,兩相之間存在一定的滑移,但滑移量很??;同時不考慮流體受粒子的影響效果,或者說兩相流的流場特征和單相的流場特征沒有區(qū)別,是一樣的;然而,我們假定流體對粒子的作用是相當顯著的,即粒子流動完全是由于流體相的夾帶所導致的。Soo利用小滑移模型計算了旋風除塵器中的流動情況,并對反應(yīng)堆冷卻和流化床燃燒問題進行了研究。小滑移模型與單流體模型相比,其特點是該模型把兩相間的滑移加了進來,因為在實際的流動過程中中,粒子相以及流體相這兩者的溫度與速度之間存在一定的滑移量,所以相對來說與事實更相符;然而,該模型有一個明顯的不足之處,就是我們把這種兩相間的小滑移量當成了紊流中的擴散效應(yīng),這就導致與兩相流流動的真實情況存在相當?shù)牟町?,而且近些年來這種模型也很少使用。167。 VOF模型 VOF模型的建立也是以Euler框架為基礎(chǔ)的。該模型的使用主要用在如下的情形之中,即處理一種甚至多種彼此都不相容的交界面問題。該模型的特點是,無論流體中是什么樣的組分,它們的動量方程都是完全相同的,不會因組分的不同而有所變化;應(yīng)用該模型進行數(shù)值計算的時候,它會計算出每一種流體成分的體積率,同時把計算結(jié)果在對應(yīng)的單元內(nèi)記載下來。 其基本控制方程:連續(xù)守恒方程: (421)動量守恒方程: (422)能量守恒方程: (423)VOF模型的優(yōu)點是:能夠較好的求解兩相間的界面問題。但是因為該模型中的物性參數(shù)使用的都是平均值,因此要保證較精確的計算結(jié)果,就必須使兩相間的速度差別不可以太多。通常狀況下,VOF模型使用非穩(wěn)態(tài)模擬較好。167。 單流體與小滑移這兩種模型全是在Euler坐標系中解決粒子群的相關(guān)問題的,并且不考慮粒子群和流體介質(zhì)之間的滑移或假定這種滑移是小量的。顆粒軌道模型與此不一樣,它是以Eulerlagrange法為基礎(chǔ)的,同時把流體相作為連續(xù)的介質(zhì),而粒子相則看做是離散形式的。在考察稀疏顆粒群的運動及其能量與尺寸變化時,把顆粒群不當做連續(xù)介質(zhì),而作為有滑移的分散群處理,這就是分散顆粒群模型,或稱顆粒群軌道模型。 在顆粒軌道模型中,我們假定粒子與流體之間是有滑移的,且滑移量比較大,并不是小滑移模型中的小量滑移,這和兩相流的實際情況十分相符;而且在確定型軌道模型中,假定粒子相中不存在湍流的導熱、擴散以及湍流的粘性等問題;并且認為粒子之間沒有相互的干擾,各自沿著自己的軌道運動,因此,根據(jù)這種特性我們可以用相應(yīng)的設(shè)備對顆粒運動過程中各項參數(shù)及變化進行跟蹤分析,掌握其運動規(guī)律; 當研究粒子群與流體之間的相間耦合作用的影響時,把粒子群對流體相的質(zhì)量、動量和能量的相互作用當做是某種連續(xù)分布的物質(zhì)源、動量源和能量源。在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上,忽略顆粒自身各變量的脈動,可得確定型軌道模型:流體相連續(xù)方程: (424)流體相動量方程: (425) 流體相能量方程: (426) K組顆粒相的連續(xù)方程: (427) K組顆粒相的動量方程: (428)k組顆粒的相能量方程: (429)流體相組分方程: (430)比較確定型軌道模型與無滑移模型可知:兩者流體相控制方程的主要差別是有沒有
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