氣溶膠力學-第09章-氣溶膠氣固兩相流動的湍流數(shù)學模型

華北電力大學環(huán)境科學與工程學院氣溶膠力學任課教師：楊官平二○一五年八月封面氣固兩相流的數(shù)值模擬方法氣固兩相流的基本知識湍流氣固兩相流的基本守恒方程組第09章氣溶膠氣固兩相流動的

湍流數(shù)學模型9.1氣固兩相流的數(shù)值模擬方法按照系統(tǒng)坐標特性分類，氣固兩相流的數(shù)值模擬方法可以分為兩種：歐拉—拉格朗日法：在歐拉坐標系下考察流體的運動，在拉格朗日坐標系下考察顆粒的運動。歐拉—歐拉法：在歐拉坐標系下考察流體的運動，在歐拉坐標系下考察顆粒的運動。一、歐拉—拉格朗日法（顆粒軌道模型）假設(shè)流體是連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標系下考察流體的運動。顆粒是離散體系，在拉格朗日坐標系下考察顆粒的運動。優(yōu)點：概念清楚。計算簡單。可預測單顆粒運動軌跡。缺點：難以處理顆粒的湍流擴散。顆粒濃度高時收斂性差。不易推廣到三維及高濃度情況。二、歐拉—歐拉法（雙流體模型）假設(shè)流體是連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標系下考察流體的運動。顆粒是連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標系下考察顆粒的運動。優(yōu)點：可以完整地考慮顆粒相的各種湍流輸運過程。顆粒相和流體可以采用統(tǒng)一的數(shù)值方法。計算量可以不是很大，可以為工程所接受。預報結(jié)果可以直接與實驗結(jié)果對照。缺點：無。9.2氣固兩相流的基本知識雙流體模型的基本假設(shè)相內(nèi)的微觀真實值和體平均值氣固兩相流的分類兩相間的作用力一、雙流體模型的基本假設(shè)在流場的每一位置，顆粒相和流體相共存并相互滲透，每一相具有各自的速度、溫度和體積分數(shù)，每組顆粒具有相同的速度和溫度。每組顆粒相具有連續(xù)的速度、溫度和體積分數(shù)分布。每組顆粒相除與流體有質(zhì)量、動量和能量的相互作用外，還具有自身的湍流脈動，造成顆粒的質(zhì)量、動量和能量的湍流輸運，且顆粒脈動取決于對流、擴散及流體相的相互作用。顆粒碰撞會引起附加的顆粒粘性、擴散和熱傳導。二、相內(nèi)的微觀真實值和體平均值如果考慮控制體內(nèi)的微觀流場，則不同的相占據(jù)不同的空間。如果考慮控制體內(nèi)的宏觀流場，則各相占據(jù)同一空間且相互滲透，每一相具有各自的速度、溫度和體積分數(shù)。對單相流體推導的基本方程僅能適用于每一相內(nèi)部的微觀流動，因此，為了描述宏觀流場，必須使用體平均的概念，也就是說，表示宏觀流場性質(zhì)的每一變量都是控制體內(nèi)該變量的體平均值。二、相內(nèi)的微觀真實值和體平均值三、兩相流中幾種密度及體積分數(shù)三、氣固兩相流的分類

1.氣固兩相流的類型氣固兩相流的類型有兩種：稀相氣固兩相流：氣相中懸浮著很少的固體顆粒，稱為稀相氣固兩相流。稠相氣固兩相流：氣相中懸浮著很多的固體顆粒，稱為稠相氣固兩相流，或濃相氣固兩相流，或密相氣固兩相流。2.氣固兩相流的分類方法根據(jù)顆粒的體積百分數(shù)，將氣固兩相流分為兩種：稀相氣固兩相流：顆粒的體積百分數(shù)<5%，稱為稀相氣固兩相流。稠相氣固兩相流：顆粒的體積百分數(shù)≥5%，稱為稠相氣固兩相流，或濃相氣固兩相流，或密相氣固兩相流。2.氣固兩相流的分類方法顆粒群中的顆粒運動是由氣體動力以及顆粒之間相互碰撞的兩種力所支配。根據(jù)顆粒群的運動機理，將氣固兩相流分為兩種：稀相氣固兩相流：顆粒之間相互碰撞很少，顆粒的運動主要由地氣體動力所支配。稠相氣固兩相流：顆粒之間及顆粒與壁面之間碰撞較頻繁，顆粒的運動主要由顆粒之間及顆粒與壁面之間碰撞來決定。3.氣固兩相流的類型對建立兩相流數(shù)學模型的影響顆粒群中的顆粒運動是由空氣動力以及顆粒之間相互碰撞的兩種力所支配。稀相氣固兩相流：主要考慮流體對顆粒的作用，不需考慮顆粒對流體的作用。稠相氣固兩相流：既要考慮流體對顆粒的作用，也要考慮顆粒對流體的作用，形成雙向耦合作用；能夠考慮顆粒間的碰撞、凝聚等作用。四、兩相間的作用力在氣固兩相流中，由于流體和顆粒具有各自的平均速度和脈動速度，因而兩相速度場之間必會產(chǎn)生如下的作用力：流體相與顆粒相間存在的平均速度差而產(chǎn)生的阻力。流體脈動速度相互關(guān)聯(lián)而產(chǎn)生的雷諾應力。顆粒相脈動速度相互關(guān)聯(lián)而產(chǎn)生的雷諾應力。顆粒間的相互碰撞及顆粒與壁面之間的碰撞產(chǎn)生的顆粒相應力。流體相與顆粒相間脈動速度相互關(guān)聯(lián)作用。其它因素（如壁面對流體和顆粒運動的影響等）。9.3湍流氣固兩相流的基本守恒方程組將兩相流瞬時守恒方程組作雷諾時均，得兩相流時均守恒方程組。忽略氣體密度脈動、忽略氣體密度脈動和速度脈動的三階關(guān)聯(lián)、對湍流輸運項進行模擬，可得湍流兩相流的守恒方程組。假設(shè)氣體為不可壓流體。假設(shè)為稀相氣固兩相流。假設(shè)兩相之間無相變。一、連續(xù)方程一、連續(xù)方程