高速气体与椭圆柱阵列相互作用的数值研究
发布时间：2020-04-30 22:11
【摘要】：颗粒流是固体颗粒的流动,颗粒流不仅广泛存在于自然界和人们的日常生活中,在工农业生产领域及能源和环保等领域也有广泛的应用,因此对颗粒流及其运动的研究具有十分重要的意义。高速气体和固体颗粒云的相互作用是颗粒流的一个重要分支,是典型的可压缩多相流问题,它在天文、自然灾害、工业安全、医疗工业和国防等领域有着重要应用。颗粒流系统中,大部分是基于球形颗粒的实验,但实际上颗粒通常呈现非球形的特征,其中椭球形颗粒是非球形颗粒中最简单的各向异性模型粒子,因此研究椭球形颗粒具有重要意义。本文采用基于分层多相流模型的直接数值模拟方法,对平面激波与椭圆柱阵列的相互作用的前期阶段进行数值研究。采用有限体积法(Finite Volume Method,FVM)来离散控制方程,空间重构使用3阶TVD格式,基于体积分数αg的不同,每个控制体界面可以重构为气-气、固-固和气-固三个部分,每部分用不同的通量计算方法。其中,位于气-气之间的面上的通量使用AUSM+-up近似黎曼解法器计算,气-固之间的面上的通量用单侧的值,固-固之间的面上的通量不计算。时间推进采用三阶龙格库塔(Runge-Kutta)方法,气-固界面采用滑移边界条件。本文使用MPI并行进行高性能计算。重点关注了椭圆柱横截面的不同长短轴之比λ和椭圆柱横截面长轴与来流方向所成角度θ对流场的影响,从气体来流方向上的速度u,x、y轴的均方根速度u"和v"、动能、内能和湍动能的分布上进行分析,对能量在计算域的上游区域、椭圆柱阵列区域和下游区域进行定量分析。同时关注了流场的总内能、总动能和湍动能随无量纲时间f的演化过程,并讨论了不同情况下的流场压强分布、流场密度分布和流场温度分布规律。针对椭圆柱改进了一维体积平均模型并通过拟合直接数值模拟结果的反射激波的位置和透射激波的位置寻求合适的人工有效阻力系数Cd,并探讨了最优Cd的分布规律。
【图文】：
具有复杂外形结构的流场。它通过在流体控制方程中加入一个力项来实现物体的物逡逑质边界与流体之间的相互作用，整个流场的数值计算使用的是简单的笛卡尔网格，逡逑而不是根据物理形状生成繁杂庞大的贴体网格。如图１．１所示，这样一来可以避免逡逑网格转换等［７６］问题。其优势是容易生成、计算简单，当处理动边界问题时，使用逡逑笛卡尔网格不需要在每个时间步重构网格，从而大大减小了计算量，提高解的精确逡逑性和稳定性。１９７２年，Ｐｅｓｋｉｎ邋［７５］提出了邋ＩＢＭ这种数值计算方法，由于心脏的血流逡逑模式与心脏瓣膜的功能密切相关，因此Ｐｅｓｋｉｎ将其应用于模拟人类心脏瓣膜中的血逡逑流情况。１９７７年，Ｐｅｓｋｉｎ邋［７７］扩展了前人在具有与流体相互作用的浸入边界条件下逡逑Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程解的研宄。经过３０多年的发展，目前ＩＢＭ已经广泛应用于海洋和逡逑船舶工程［７８］、细胞力学［７９］和物体绕流［８０］等。根据对力源项的处理方式的不同，逡逑浸入边界法有反馈力法［８１］、直接力法［８２］和离散质量和动量力法［８３］等。逡逑ｎ邋—重逡逑图１．１贴体网格和笛卡尔网格［７６］逡逑浸入边界法系统的控制方程组［８４］具有下列形式：逡逑－＾Ａｕ邋＋邋ｕＡｕ邋＋邋Ａｐ邋＝邋Ｆ邋ｉｎ邋Ｑ．邋ｘ邋（０
１．４椭球颗粒的研究逡逑前文描述的颗粒流系统中，大部分是基于球形颗粒的实验，但实际上颗粒通常逡逑呈现非球形的形状特征，图１．２为１９９１－２０１３年以来，利用离散元模拟的由非球形粒逡逑子组成的颗粒系统的出版物数量随时间的变化趋势［８５］，可见针对非球形颗粒的研逡逑宄数量的增长越来越快，学者们对非球形颗粒研宄的关注度越来越高。其中椭球形逡逑颗粒是非球形颗粒中“最简单的各向异性模型粒子”邋［８６－８９］，因此研[偼智蛐慰帕ｅ义鲜欠浅Ｖ匾模迹保痴故玖烁飨蛞煨粤Ｗ蛹捌湫滦擞τ茫郏梗埃荩谝┪锸渌汀⒛擅族义铣上翊衅鳌⒐庾泳搴痛呋猎靥逦榷恋确矫娑加兄匾τ谩ｅ义希掊澹玻担板宄у巍鲥五义希桑哄义希保梗梗卞危玻埃埃插危玻埃保冲义希伲澹幔蝈义贤迹保不诶肷⒃Ｄ獾姆乔蛐瘟Ｗ涌帕Ｏ低车某霭嫖锸克媸奔涞谋浠魇疲郏福担蒎义辖├囱д呙嵌酝智蛐慰帕５墓刈⒃嚼丛礁摺＃玻埃保材辏冢幔螅簦幔鳎睿热耍郏梗保菔褂缅义细慕木迪窠氡呓绶ń兄苯邮的Ｄ饫赐频剂鞫兴闹址乔蛐慰帕５淖枇蜕义狭ο凳团ぞ叵凳＃玻埃保的辏薜热耍郏梗玻荻云矫婕げㄓ胨衷苍仓南嗷プ饔媒绣义狭耸的Ｄ猓致哿私缑妫遥椋悖瑁簦恚澹颍停澹螅瑁耄铮霾晃榷ㄐ缘难莼蹋笛橹新砗帐义希保保
本文编号：2646231
【图文】：
具有复杂外形结构的流场。它通过在流体控制方程中加入一个力项来实现物体的物逡逑质边界与流体之间的相互作用，整个流场的数值计算使用的是简单的笛卡尔网格，逡逑而不是根据物理形状生成繁杂庞大的贴体网格。如图１．１所示，这样一来可以避免逡逑网格转换等［７６］问题。其优势是容易生成、计算简单，当处理动边界问题时，使用逡逑笛卡尔网格不需要在每个时间步重构网格，从而大大减小了计算量，提高解的精确逡逑性和稳定性。１９７２年，Ｐｅｓｋｉｎ邋［７５］提出了邋ＩＢＭ这种数值计算方法，由于心脏的血流逡逑模式与心脏瓣膜的功能密切相关，因此Ｐｅｓｋｉｎ将其应用于模拟人类心脏瓣膜中的血逡逑流情况。１９７７年，Ｐｅｓｋｉｎ邋［７７］扩展了前人在具有与流体相互作用的浸入边界条件下逡逑Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程解的研宄。经过３０多年的发展，目前ＩＢＭ已经广泛应用于海洋和逡逑船舶工程［７８］、细胞力学［７９］和物体绕流［８０］等。根据对力源项的处理方式的不同，逡逑浸入边界法有反馈力法［８１］、直接力法［８２］和离散质量和动量力法［８３］等。逡逑ｎ邋—重逡逑图１．１贴体网格和笛卡尔网格［７６］逡逑浸入边界法系统的控制方程组［８４］具有下列形式：逡逑－＾Ａｕ邋＋邋ｕＡｕ邋＋邋Ａｐ邋＝邋Ｆ邋ｉｎ邋Ｑ．邋ｘ邋（０
１．４椭球颗粒的研究逡逑前文描述的颗粒流系统中，大部分是基于球形颗粒的实验，但实际上颗粒通常逡逑呈现非球形的形状特征，图１．２为１９９１－２０１３年以来，利用离散元模拟的由非球形粒逡逑子组成的颗粒系统的出版物数量随时间的变化趋势［８５］，可见针对非球形颗粒的研逡逑宄数量的增长越来越快，学者们对非球形颗粒研宄的关注度越来越高。其中椭球形逡逑颗粒是非球形颗粒中“最简单的各向异性模型粒子”邋［８６－８９］，因此研[偼智蛐慰帕ｅ义鲜欠浅Ｖ匾模迹保痴故玖烁飨蛞煨粤Ｗ蛹捌湫滦擞τ茫郏梗埃荩谝┪锸渌汀⒛擅族义铣上翊衅鳌⒐庾泳搴痛呋猎靥逦榷恋确矫娑加兄匾τ谩ｅ义希掊澹玻担板宄у巍鲥五义希桑哄义希保梗梗卞危玻埃埃插危玻埃保冲义希伲澹幔蝈义贤迹保不诶肷⒃Ｄ獾姆乔蛐瘟Ｗ涌帕Ｏ低车某霭嫖锸克媸奔涞谋浠魇疲郏福担蒎义辖├囱д呙嵌酝智蛐慰帕５墓刈⒃嚼丛礁摺＃玻埃保材辏冢幔螅簦幔鳎睿热耍郏梗保菔褂缅义细慕木迪窠氡呓绶ń兄苯邮的Ｄ饫赐频剂鞫兴闹址乔蛐慰帕５淖枇蜕义狭ο凳团ぞ叵凳＃玻埃保的辏薜热耍郏梗玻荻云矫婕げㄓ胨衷苍仓南嗷プ饔媒绣义狭耸的Ｄ猓致哿私缑妫遥椋悖瑁簦恚澹颍停澹螅瑁耄铮霾晃榷ㄐ缘难莼蹋笛橹新砗帐义希保保
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