喷管内气粒两相流场的数值模拟

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1、啥尔滨工程大学硕士学位论文淡林鹏等吲(2002)采用颗粒轨道模型和有限容积的Jameson格式计算了长尾喷管纯气相和两相流流场。虽然已经有很多研究人员开展了两相流动的研究，但对于较大颗粒在喷管中的运动规律及运动现象的研究这方面的文献或资料较少。1．4本论文主要的研究内容本论文主要用FORTRAN90语言编制计算机程序，为了捕捉到流动中的一些细节问题采用了自适应非结构化网格，用PORK算法求解气相方程组，用拉格朗日方法求解颗粒相方程组，对小扩张比喷管内的两相流动加以研究，同时也用商业软件STAR-CD，采用标准k一占模型和颗粒轨道模型中

2、的确定轨道模型，对同一喷管进行了湍流两相流动的数值模拟。通过理论分析和数值模拟，本研究课题希望收到以下成果：1．研究喷管内两相流动中气粒的运动规律，并与已有文献进行比较。验证所用算法的合理性。2．研究两相流动中大颗粒的运动规律及出现的物理现象，分析原因得出结论。重点分析喷喉下游轴线附近流场中的气粒两相流动特性及规律，包括弥散激波产生的可能性，影响的因素(粒子负载比，颗粒尺寸等因素)，区域尺度，及其存在对喷管下游两相流动特性的影响。哈尔滨工程大学硕士学位论文I第2章喷管内气粒两相流场的数值模拟2．1引言喷管内的气相流场可以同时兼有亚音速

3、、跨音速和超音速，对应的控制方程各不相同，因而是十分复杂的，再加入粒子形成两相流流场，使得喷管内的流场更为复杂，但计算机技术和数值计算方法的飞速发展，使得对其内流场的数值模拟成为可能。本章对喷管内两相无粘流场进行数值模拟。在这里先扼要的介绍一下流场模拟问题数值计算过程的几个主要环节，本章将按照这几个步骤进行喷管内气固两相流流场的数值模拟计算。流场的数值模拟计算主要包括以下几步：①建立物理与数学模型。首先对所研究的实际问题作出一定简化假设，以确立其物理模型。饲如，当物理过程中流体的物性变化不大，可作常物性的假定；物理量在某一方向上的变化

4、相对于其它两个方向很小时可以做二维的假设，等等。根据所确定的物理模型写出该过程的控制方程及相应的初始条件和边界条件，这也就是确立数学模型的过程。②划分网格。数值模拟计算中用离散的网格来代替原物理问题中的连续空间，网格中的节点则是所求解物理量的几何位置。从网格的构造来说，可以分为结构化网格、块结构化网格及非结构化网格三种。这三种网格各有各的特点，也就各自适应不同的物理问题，具体的应用将在后文中详细说明。③确定控制方程的离散方法。选择多种离散方法中最适用于所模拟物理问题的控制方程的一种方法，对控制方程进行离散化处理，得到节点间物理量的代数

5、方程。在离散方程的过程中，基于一定的物理真实性，需要对所求解的变量在两个节点之间的变化特性作假设，从而选择不同的离散格式。④求解控制方程离散后形成的代数方程组，然后对数值计算的结果从物理过程的角度进行解的分析。2．2控制方程及计算模型2⋯21计算模型由于本章计算的颗粒直径大于分子平均自由程，不适宜把颗粒相当作“拟流体”来看待，故采用了颗粒轨道模型(欧拉．拉格朗日模型)，对颗粒在二哈尔滨工程大学硕士学位论文维小扩张比喷管内的流动加以模拟。这种模型仍然把气相当作连续相，但把颗粒相看成是不连续的离散相，对每个粒子(或粒子群)在拉格朗日坐标下

6、进行跟踪。这样，气相采用欧拉型方程，而颗粒相采用拉格朗日型方程。本章在计算单相流场时，假定气体为忽略质量力的、具有常比热系数的完全气体，分为考虑粘性和不考虑粘性两种情况进行计算，在对二维小扩张比喷管内的两相流动编制FORTRAN程序，进行流场模拟时，所作简化及假设的变化如下：1气相成分冻结，除了和颗粒接触处外可不计粘性；2颗粒为性质均匀的不可压球形，不考虑颗粒容积分数的影响；3不考虑颗粒间的相互作用，认为颗粒是离散的；4两相之间的相互作用只考虑颗粒与流体之间的动量传递和能量传递；5两相混合物与壁之间没有质量交换、动量交换和能量交换。2

7、．2．2基本控制方程1．气相控制方程本章在进行两相流动计算前，先进行了单相(气相)流场的有粘和无粘计算，有粘时对应求解层流Navier--Stokes方程，无粘时对应求解Euler方程。由于Navier--Stokes方程中不考虑粘性项即为Euler方程，因此本章虽然在两相流计算时对气相采用鹊是Euler方程，但具体描述方程组时，包括后面要讲到的方程的离散，还是以Navier--Stokes方程为主，其表达形式为：罢+掣+掣：至婴+旦掣坝∽(2--1)式中9叫咖阪]l朋+甲jp妒卜斗2VE钆虻‰咖UFD粤肌她，，，．．。。．．．．．．

8、．．．．。。。．．．．．．．．_／IlU哈尔滨工程大学硕士学位论文并有其中G3(U)=，G7∥)=jm／y]ij篡av蛩＼2一％fj,,(pe+p)／y一甜，吆一％岛一岛J～=(z+2∞考+A罢j=卜二维流动。j=1——