Analysis of solid particle clusters in coherent structures of turbulent channel flow

A particle-laden turbulent channel flow is investigated to study particle clusters in large-scale turbulent coherent structures.The fluid phase is calculated by large eddy simulation and particles are tracked using Lagrangian trajectory method.The flow Reynolds number is 180 based on the friction velocity and half-width of the channel.The particle is lycopodium with St=0.93which may well follow the fluid phase.The mean and fluctuating velocities of both two phases are obtained,which are in good agreement with previous data.The strongest accumulations of particles in low-speed streak structures are observed at y+=11.3.Moreover,once particles are captured in low-speed streaks,most of them will reside there for a long period.Particles clustered in low-speed streaks obtain smaller instantaneous wall-normal and spanwise velocities than those out of there,which induce a larger particle flux into low-speed streaks than that out of there.The study is important for understanding particle dispersion mechanisms in gas-particle turbulent channel flows.     

喷动流化床中杆状颗粒混合特性的CFD-DEM模拟

采用计算流体力学-离散单元法（CFD-DEM）模型对杆状颗粒在喷动流化床中的流动及混合行为进行数值模拟研究,其中杆状颗粒采用超椭球模型进行描述. 通过模拟结果,考察流化气速、喷动气速和颗粒形状对流动与混合的影响. 结果表明,杆状颗粒在喷动流化床中的流动具有典型喷动床的喷动特性;提高喷动气速与流化气速均有助于颗粒混合,且流化气速对流动与混合的影响大于喷动气速. 颗粒形状主要通过颗粒互锁与颗粒长轴取向一致性这2个因素影响颗粒混合,提出较简单的方法用以量化颗粒长轴取向的一致性. 在上述2个因素的作用下,当杆状颗粒长径比较小时,增加长径比会抑制颗粒混合;当长径比较大时,增加长径比会促进颗粒混合.     

洪水起动泥石流沟床物质形成泥石流的试验

以研究震后强震区泥石流起动的临界水力条件为目的,在实验室内模拟了洪水起动沟床物质形成泥石流的条件,对比前人研究的颗粒起动的临界水流速度条件后得出：泥石流形成时的颗粒起动条件介于少量起动和大量起动之间,临界起动概率为0.05,约为少量起动的2倍,大量起动的1/3;泥石流形成的临界流速随起动颗粒中值粒径的增加而增加,随沟床坡度的增加而减小;颗粒的不均匀系数越大,起动所需要的临界流速也越大;修正的泥沙起动和泥石流起动公式适用于较大的泥沙颗粒粒径和泥沙不均匀系数的泥沙起动条件.     

岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟

广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性,进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响,提出植被固壁边界处理方法,利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道三维水动力数学模型,并对复式河道水流特性进行了模型验证,模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道水流特性研究,对比非淹没刚性植被、淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力以及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换,引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加,同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小,紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中岸坡种植非淹没刚性植被时效果最为显著,相比无植被情况,二次流涡旋数量增加了一对,岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小,甚至趋近于零,而临近植被的周围区域紊动交换剧烈,无量纲化的紊动能值可达到20。     

锥型布风板内循环流化床颗粒循环流率特性研究与预测

锥型布风板内循环流化床气化反应的关键在于采用合理循环流率。针对锥型布风板内循环流化床的控制参数:气化室风速、提升管风速、物料粒径和床层高度对循环流率的影响进行研究。研究表明:循环流率随着气化室风速、提升管风速、床层高度的增大而增大,当达到一定值后,颗粒循环流率的增长趋势逐渐平缓;循环流率随着物料粒径的增大而明显变小。此外还提出了循环流率关于控制参数的经验关联式,在本实验中,该关联式能较好的符合实验测量值。     

山区河流河床对漂石的突变响应及其近底水流结构特征

山区河流受暴雨洪水、滑坡和泥石流等灾害的影响,漂石颗粒在河床不断集聚,从而改变局部区域的河床形态及其水流结构。本文基于对野外典型漂石河段的调查和室内概化水槽试验,指出了河床变形及水流运动对漂石的突变响应特征。试验床面分别预铺粒径为2.5mm和7.5mm的均匀沙,并在其上放置粒径为15.7cm的天然漂石,利用声学多普勒测速仪和全站仪测量漂石局部区域的水流结构及河床冲淤地形。试验分析表明：漂石河床局部调整受相对淹没度和床沙粒径的影响,随着相对淹没度的变化,冲坑深度及范围也随之调整,但淤积的最大高度值则趋于稳定;床沙粒径与冲坑深度、范围呈现出较好的线性正相关关系,但其对后者的影响要远大于前者。漂石河床的局部响应主要是因为漂石的存在促使了其局部区域的水动力条件变化。在无床沙工况下,漂石局部近底流速分布随着相对淹没度的变化而变化,而在有床沙工况下,其对相对淹没度的变化却并不敏感,但它们都较为符合对数分布。漂石局部的紊动强度及紊动耗散均在漂石下游的△x≤1.5D范围内出现陡增现象,且随着床沙粒径的增加,紊动强度陡增的幅度变小,其影响范围也随床沙粒径及相对淹没度的变化而变化。因此,山区河流河床漂石对水流运动及河床变形的作用主要表现在局部近底水流结构及紊动统计特征出现陡变特征,从而引起局部冲淤程度加剧,对河床的水沙运动及其稳定形态产生较大影响。     

颗粒跳跃的计算机图像预处理方法

在非均匀沙床面上进行颗粒跳跃跟踪电视摄像试验得到一系列序列图像,可据以确定不同水流条件下颗粒跳跃的轨迹及速度,后者在输沙力学中具有重要意义．为获得有关颗粒跳跃的高精度数据,作者对摄像试验图像作了计算机图像处理和识别．首先将真彩色图像转化为灰度级图像,并对有用部分进行预截取．然后对这些图像采用半邻域法滤波和十字形中值滤波等平滑滤波方法进行处理,取得了较好的结果．这些图像的预处理工作为今后对图像作诸如阈值分割、轮廓线抽取和直线检测等的进一步处理奠定了基础．     

壁湍流中喷发和扫掠对颗粒离散的影响

近壁湍流中的拟序结构：喷发（ejection）和扫掠（sweep）,对壁附近颗粒的扩散输运起着重要作用。本文首先采用直接数值模拟（DNS）方法得到槽道湍流（雷诺数Rer=Uδ／v＝80）的速度场,然后追踪颗粒群中每个颗粒的轨迹,最后详细分析喷发／扫掠事件对颗粒群离散行为的统计特征。模拟结果表明,流向和展向的粒子离散,在扩散初期来自于扫掠事件中的粒子离散大于来自于喷发事件中的粒子离散。当扩散时间超过数倍拉格朗日积分尺度后,开始时刻处于喷发或扫掠的粒子运动规律没有明显的不同,也就是说这些粒子几乎已经失去初始记忆。     

离心式杂质泵蜗壳内部流场数值模拟

利用计算流体动力学分析软件,对离心式杂质泵的内部流场进行了数值模拟.计算了颗粒直径为0.076mm,固相体积分数为10%的两相流工况下的三维湍流流场,得到了蜗壳内的速度、压力和固相体积分数分布等流动信息.计算结果表明：自进口至最大半径处蜗壳内的速度不断减小,压力逐渐增大,颗粒体积分数随半径增大而增大.     

“河性行曲”力学机理之边壁泥沙的临界起动条件

在借鉴水流紊动相干结构研究成果的基础上,深层次揭示了紊流紊动涡体猝发、喷射、清扫的过程中对边壁泥沙颗粒的抽吸、挖掘的力学机理;系统概括了河道岸壁泥沙颗粒从起动,到进入水体,促使顺直河道发育成犬牙交错的边滩,并逐步演变为弯曲性河道的全过程;进而在对边壁泥沙颗粒受力分析的基础上,运用涡能理论,提出了边壁泥沙起动的临界条件;并根据黄河的实际情况进行了分析,认为河流边界的糙率、水深等数值越大,泥沙越容易起动。     

颗粒物在矩形管道内流动的PIV实验研究

对水平管道内颗粒物运动规律进行研究。应用粒子图像测速（PIV）技术,在不同的气体流量下,对矩形管道在两种不同结构下的气固两相流的流动情况进行了测量,得到了平直通道和带肋通道中气体及固体颗粒的时均速度场,并分析比较了管道结构及气体流量对速度和粒子沉积的影响,发现加肋有助于粒子的沉积,且使通道内流动状态发生了较大改变。对深入了解管道内气固两相流动状况及数值模拟结果的评价提供了参考。     

考虑颗粒对高炉风口回旋区湍流影响的气固两相模型

基于颗粒相欧拉模型,建立了考虑大颗粒对湍流增强作用的颗粒碰撞模型.该模型充分考虑颗粒尾迹对湍流的作用,并把作用结果以源项的形式加入原有模型;在对离散相进行模拟时,还考虑颗粒之间的碰撞作用.最后用该模型对高炉回旋区内的气固两相流动进行了模拟,模拟所得的颗粒平均速度和脉动速度分量与实验结果吻合良好.结果表明,考虑颗粒对湍流增强作用及颗粒之间作用后的新模型预报结果得到了明显改进.     

鼓泡流化床流动特性的直接颗粒模拟

为了考察流化床中颗粒和气泡运动的基本规律，对两维鼓泡流化床进行了数值模拟.在假设气相为无黏不可压的条件下，求解了体积平均后的欧拉方程，并利用离散单元法（DEM）模拟了颗粒间的碰撞及颗粒与壁面间的碰撞过程.模拟中跟踪了约90 000个颗粒，统计了不同床高截面上颗粒及气体纵向平均速度的分布，并对不同表观空气风速和床高下床内压降以及压力波动进行了研究.结果表明，DEM方法能很好地模拟鼓泡床内的流动特性.在床内较低截面上，颗粒及气体的平均速度沿水平方向呈现两个峰，而在较高截面上合并为一个峰.且表观风速越大，气泡运动速度越高.     

Numerical simulation of dense particle-gas two-phase flow using the minimal potential energy principle

A simulation method of dense particle-gas two-phase flow has been developed. The binding force is introduced to present the impact of particle clustering and its expression is deduced according to the principle of minimal potential energy. The cluster collision, break-up and coalescence models are proposed based on the assumption that the particle cluster are treated as one discrete phase. These models are used to numerically study the two-phase flow field in a circulating fluidized bed （CFB）. Detailed results of the cluster structure, cluster size, particle volume fraction, gas velocity, and particle velocity are obtained. The correlation between the simulation results and experimental data justifies that these models and algorithm are reasonable, and can be used to efficiently study the dense particle-gas two-phase flow.     

水平气力输送系统中颗粒波状流的模拟

对用于两相流计算的硬球模型进行简化，模拟了水平气力输送系统中颗粒波的动态流型。模型中，气体状态由两相耦合的Navier—Stokes方程描述，颗粒运动通过单颗粒的运动轨迹描述。并且，颗粒的碰撞运动由冲量守恒原理控制，颗粒的悬浮运动由力平衡方程决定，相间耦合作用依据牛顿第三定律处理。模拟结果从介观层次呈现了水平气力输送系统中与实验特征吻合的颗粒波状流，说明了颗粒波的传播速度取决于气体速度，它并不敏感地依赖于系统中的存料量及物料密度。     

展向行波电磁力控制下的槽道湍流雷诺应力

为研究槽道湍流的电磁力减阻控制问题,采用直接数值模拟(DNS)方法对槽道湍流的展向行波电磁力控制问题进行数值研究.讨论了由展向行波诱导的诱导流场对槽道湍流流场的调制过程,分析了控制前后雷诺应力离散点分布、平均雷诺应力分布以及雷诺应力波谱分布的规律.研究表明,在合适参数条件控制下,展向行波电磁力的控制不仅使近壁条带结构基本消失,形成加宽的低速条带,而且能使控制后的流场中涡结构几乎消失,而仅剩下由展向行波电磁力诱导产生的带状负涡结构,同时展向行波电磁力在一定程度上抑制了湍流的脉动,减小了雷诺应力,最终使壁面阻力下降.     

明渠瞬时床面切应力粒子图像测量技术

床面切应力瞬时值的实验测量极为重要但富有挑战.为了利用粒子图像技术准确测量瞬时床面切应力,采用模拟不同图像和流动参数的合成粒子图片对粒子图像测速技术(PIV)、粒子图像示踪技术(PTV)和直线相关PIV技术(LCPIV)的测量精度进行分析,发现各技术在床面附近的测量精度均因床面影响而变差,其中,PIV技术受影响的范围距...     

复式明渠水流运动的数值模拟

大多数平原河道都为具有主槽和滩地的复式河槽,且主槽和滩地的壁面粗糙度一般不相同.根据理论分析建立了适合于描述水力光滑、水力过渡和水力粗糙这三种壁面条件下时均流速沿垂线分布的统一公式,并利用该流速分布公式,采用Thatchell代数应力模型,对复式明渠粗糙度沿横向存在变化的流动进行了三维模拟.     

推移质运动对水流紊动结构的影响

本文采用 CDL—86型超声多普勒流速仪对挟带推移质水流的紊流结构进行了较系统的试验研究,结果表明,清水水流挟带推移质后,床面附近的时均流速减少,流速梯度增加,水流的平均脉动加强,流速脉动的概率密度分布偏离正态。根据试验的成果,作者还探讨了紊流的内部结构。     

PIV与PLIF同步测量方法在湍流扩散研究中的应用

为了定量分析湍流中浓度、温度等标量的输运过程,需要同时获取流场空间内速度和标量的脉动值,以确定湍流扩散特征量。详细介绍了同步应用粒子图像测速与平面激光诱导荧光技术开展测量和数据处理的方法,并应用该方法获取了槽道内两种流体的湍流扩散通量等特征量。研究结果表明,该方法可有效地应用于湍流扩散研究领域。