第
22
卷第
3
期
2005
年
6
月
计算力学学报
Vo
I.
22 ,
No.3
June
2005
Chinese
Journal
of
Computational
Mechanics
文章编号
:1007-4708(2005)03-0299-06
气固两相流中颗粒碰撞的
Monte
-Carlo
数值模拟
赵海波,
柳朝晖,
郑楚光\
陈琦
L
密,
幸骥
(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉
430074)
摘
要
z
利用颗粒碰撞动力学模型和颗粒儿何碰撞率模型,采用
Monte-Carlo
算法来模拟颗粒之间碰撞,把该算
法与求解雷诺应力-概率密度函数模型的有限差分
-Monte
Carlo
算法糯合起来,对轴对称突扩通道内的两相旋
流场进行了数值模拟,模拟结果表明,由于颗粒碰撞使颗粒的动能和浦动能在三个坐标方向上进行了再分配,从
而导致颗粒的动能和端动能在三个坐标方向上趋于各向同性;另外,由于颗粒碰撞破坏了颗粒-颗粒、颗粒-流体
微团之间的速度关联,从而造成颗粒滞动能及两相速度脉动关联的降低。
关键词:颗粒碰撞;
Monte
【
Carlo
方法
;PDF;
气固两相流
中图分类号:
TK121
;0359
文献标识码
:A
1
~I
气固两相流广泛存在于工程实际中,如煤粉锅
炉中煤粉的输送、喷射、燃烧等。对于这些气固两相
流动的数值模拟,长期以来都假定颗粒是足够稀疏
的,因而可以只考虑流体对颗粒的拖曳力,而可以
忽略颗粒碰撞的影响,这样处理固然简化了两相揣
流模型和数值计算方法,但是实际上,在煤粉燃烧
器的喷口附近,以及有壁面约束流动、特别是旋转
流动的壁面附近,颗粒的体积浓度很容易超过
O
00-
4
)
,颗粒-颗粒碰撞,以及颗粒碰撞对流体揣流
的影响都很显著,颗粒之间的碰撞产生的冲量使得
颗粒动量发生变化,颗粒之间的摩擦作用使得颗粒
能量发生转移,颗粒相互碰撞也导致颗粒旋转速度
产生或者发生改变,这将使得颗粒承受相当数量级
的
Magnus
力,从而改变颗粒的运动轨迹,这些都
将影响流体相揣流运动。因此,随着气固两相流模
型和数值计算方法的发展以及计算能力的提高,有
必要在气固两相流动的数值模拟中充分考虑颗粒
间碰撞对流动的影响,也就是所谓的四向捐合。
现阶段国内外研究者对此进行了广泛研究。在
颗粒碰撞动力学方面,
Kitron[
l]等发展了一种颗粒
刚性碰撞简易模型;
Lun[2J
提出了考虑颗粒旋转的
颗粒碰撞动力学模型,考虑颗粒间碰撞的滑移和粘
性。颗粒碰撞模型无一例外地都需要搞合到两相流
收稿日期
:2003-07-07;
修改稿收到日期:
2003-12-18.
基金项目:国家重点基础研究专项经费
(2002CB211602)
资
助项目.
作者简介:赵海波(1
977
少,男,博士;
郑楚光.
(1
945-)
,男,博士,博士生导师.
模型中描叙颗粒相的模型中去,因此颗粒碰撞算法
也必须捐合到求解颗粒相模型的数值算法中。颗粒
碰撞模型主要有两类,一类模型是利用颗粒几何碰
撞率来处理颗粒碰撞,包括是否发生碰撞和碰撞伙
伴的寻找,
Sommerfeld
[3J
在欧拉/拉格朗日两相流
模型框架下利用随机轨道的方法来搞合颗粒碰撞
模型
;Collins[4J
在
DNS
方法中跟踪实际颗粒轨道,
利用颗粒轨道交叉来考虑颗粒碰撞;
Tanaka[5J
利
用直接
Monte-Carlo
算法来处理颗粒碰撞.另外一
类模型是类比空气动力学中分子间碰撞,
Pai[6J
在
气固两相流颗粒相的
Boltzmann
方程中考虑颗粒
间碰撞作用,直接求解颗粒相的
Boltzmann
方程从
而得到颗粒相的速度分布函数,但是该类方法的分
子碰撞的类比假设限制了其应用范畴。
以上颗粒碰撞算法大都采用轨道跟踪的方法,
需要跟踪大量实际颗粒的轨道,因为实际颗粒数目
巨大,所以计算时间特别长,难于应用到工程中。而
在工程中计算时间和精度能接受的双流体模型则
因为难于考虑颗粒的经历效应而不易考虑颗粒之
间的碰撞。雷诺应力-概率密度函数模型<D
SM
PDF)
则具有恰当的计算经济性和计算精度,而且
由于它跟踪的是比实际颗粒数目小得多的虚拟颗
粒,所以存在考虑颗粒之间的碰撞的可行性。
本文在作者[7]发展的
DSM-PDF
两相揣流模
型的基础上,考虑颗粒之间的碰撞,利用几何碰撞
率来处理颗粒碰撞,发展了搞合颗粒碰撞模型的
Monte-Carlo
方法,对一突扩有旋轴对称的两相流
场进行了模拟,并对模拟结果进行了分析。