三维气固圆柱绕流颗粒扩散的数值研究

"三维气固圆柱绕流颗粒扩散的直接数值模拟 (2007年) - 浙江大学学报(工学版), 陈章冬, 樊建人, 任安禄, 岑可法" 这篇论文详细探讨了颗粒在三维气固圆柱绕流中的扩散现象，采用了一种高精度的紧致差分方法进行三维直接数值模拟。研究主要关注的是颗粒在圆柱体尾流中的运动机理，以及气相流场对颗粒扩散的影响。通过模拟不同Stokes数（0.01、1、10）的颗粒和不同Reynolds数（180和200）下的流场，作者揭示了气相场的二维特性向三维特性转变时颗粒扩散行为的变化。 Stokes数是衡量颗粒与周围流体动力学特性相对比的一个关键参数，它定义为颗粒的惯性力与粘性力之比。在本研究中，低Stokes数（如0.01）的颗粒更容易受到流体动力学的影响，而高Stokes数（如10）的颗粒则更多地表现出自由落体的特性。Reynolds数则是流体动力学无量纲参数，表示惯性力与粘性力的相对大小，影响流体流动的稳定性。 研究发现，当气相流场从二维特性转变为三维特性，即在圆柱体尾流中出现明显的涡旋结构时，颗粒在横向（垂直于圆柱轴线）的扩散函数显著增加。这主要是因为气流场中的展向涡对颗粒产生了强烈的作用，导致颗粒在展向上的运动加剧。 此外，对于颗粒的扩散特性，研究指出颗粒在横向的扩散函数随着粒径的增大而增大，这意味着较大的颗粒在横向具有更大的扩散能力。然而，在展向上，颗粒扩散函数却随着粒径的增大而减小。这可能是由于大颗粒受到的惯性力较大，使得它们更难偏离其原始路径，因此在展向上扩散减小。 该研究采用了Lagrangian方法追踪颗粒的运动，这是一种跟踪单个颗粒轨迹的数值方法，能够精确描述颗粒在复杂流场中的运动路径。通过这种方法，研究人员能够深入理解颗粒在圆柱体周围的扩散规律，为气固两相流动的工程应用提供了理论基础和计算工具，如在燃烧、颗粒传输、污染物排放控制等领域。 这篇论文通过数值模拟技术揭示了颗粒在三维气固圆柱绕流中的扩散特性，为理解和优化涉及颗粒分散的工业过程提供了重要的科学依据。