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《多相流動的直接數(shù)值模擬進(jìn)展》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、萬方數(shù)據(jù)第33卷第4期力學(xué)進(jìn)展V01．33N042003年11月25目ADVANCESINMECHANICSNov25．2003多相流動的直接數(shù)值模擬進(jìn)展+仇軼由長福祁海鷹徐旭常清華大學(xué)煤的清潔燃燒技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084摘要多相流動的直接數(shù)值模擬的討論就是把流場中顆粒周圍計算網(wǎng)格縮小到顆粒尺寸以下進(jìn)行流動的計算，顆粒的受力不是通過模型計算，而是通過積分表面的黏性力與壓力獲得．直接模擬方法的出現(xiàn)標(biāo)志著人們對多相流動的認(rèn)識從宏觀擴(kuò)展到微觀層次．主要介紹了幾種先進(jìn)的直接模擬的方法：基于體適應(yīng)的非結(jié)構(gòu)化移動網(wǎng)格方法；基于固定網(wǎng)格方法；其它方法關(guān)
2、鍵詞多相流，直接模擬，任意拉格朗日一毆拉法(ALE)，虛擬區(qū)域法，界面跟蹤法(front-tracking)，流體體積法(VOF)，水平集法(1evelset)，格子波爾茨曼法(Lattice-Boltzmann)1引言多相流動的數(shù)值模擬研究是多相流學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向，探索先進(jìn)、準(zhǔn)確的數(shù)值模擬方法越來越受到該領(lǐng)域的重視．目前，多相流動的數(shù)值模擬得到廣泛的開展，出現(xiàn)了各種各樣的模擬方法．但是，對該問題進(jìn)行直接數(shù)值模擬只是最近時期隨著計算能力的提高才逐漸開展．所謂直接數(shù)值模擬(directnumericalsimula-tion，DNS)就是一種
3、不引入模型的數(shù)值計算過程．目前，對于兩相流動的直接數(shù)值模擬存在兩個層次的理解：一種是把顆粒處理成點(diǎn)源，氣相采用湍流直接數(shù)值模擬的方法，諸如文獻(xiàn)【1]采用譜方法直接求解氣相湍流，顆粒相采用點(diǎn)源處理，文獻(xiàn)【2】采用了高階有限差分法進(jìn)行氣相的直接數(shù)值模擬，顆粒相仍為點(diǎn)源處理；另一種把流場中顆粒周圍計算網(wǎng)格縮小到顆粒尺寸以下進(jìn)行流動的計算，顆粒占據(jù)有限體積，顆粒的受力不通過模型進(jìn)行計算，而是通過積分表面的黏性力與壓力獲得．后者又稱為真正的直接數(shù)值模擬(trueDNS，TDNS)．相比較而言，這兩種層次的直接數(shù)值模擬各有優(yōu)缺點(diǎn)．前者精確地考慮了流體湍流過程，但
4、是由于把顆粒作為點(diǎn)源處理，該方法只能提供顆粒削弱流體湍流的模型；而TDNS由于它不僅可以給出實(shí)際流動中顆粒的受力規(guī)律，而且可以給出有收稿日期：2002-11·23，修回日期：2003-06-13’國家自然科學(xué)基金(10102009)資助項(xiàng)目限尺寸顆粒(或氣泡)的脈動及其尾渦對流體湍流的作用，為構(gòu)造顆粒(或氣泡)本身的湍流模型及其增強(qiáng)流體湍流的模型提供依據(jù)．本文主要討論后面一種數(shù)值計算方法及其應(yīng)用情況．最近，美國國家科學(xué)基金會投入上百萬美元資助了一項(xiàng)固液流動直接數(shù)值模擬的研究工作：Di．rectnumericalsimulationandmodelin
5、gofsolid-liquidflows(NSF／CTS-9873236)．該工作是由UniversityofMinnesota的D．Joseph教授主持，課題起止時間為：1998年至2001年．從該課題發(fā)表的文獻(xiàn)可知，主要采用有網(wǎng)格方法有限元進(jìn)行顆粒運(yùn)動的直接數(shù)值模擬．文獻(xiàn)[3]為其中有代表性的研究結(jié)果．有關(guān)該課題的詳細(xì)情況與進(jìn)展可訪問網(wǎng)址：http：／／www．a(chǎn)eln．umll．edu／research／．在多相流動的直接數(shù)值模擬中，顆粒的運(yùn)動勢必造成邊界的移動．因此，采用傳統(tǒng)的網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行離散則需要在每一個計算時刻都要進(jìn)行網(wǎng)格的再生成以
6、避免網(wǎng)格的畸變給計算帶來的困難．而網(wǎng)格的生成給計算帶來了很大的工作量．因此減少計算量問題成為采用有網(wǎng)格方法直接模擬多相流動所面臨的棘手問題．為了減少網(wǎng)格重構(gòu)的計算量的問題，一些學(xué)者如Glowinski，Tryggvason，Matsumoto等人也開展了一些相當(dāng)有意義的工作，這些將在本文后面進(jìn)行介紹．雖然直接模擬的計算量相當(dāng)巨大，但是由此所得507萬方數(shù)據(jù)到的微觀流動現(xiàn)象與規(guī)律對于準(zhǔn)確建立宏觀多相流模型具有重要的意義．以顆粒在流場中的受力關(guān)系為例．目前，對于許多多相流動問題的數(shù)值模擬，當(dāng)采用模型化方法計算時，如歐拉一歐拉(Euler．Euler)模型
7、【4I“、歐拉一拉格朗日(Euler—Lagrange)模型16”81等，在一些簡單問題上，如稀疏氣固兩相流動問題，數(shù)值模擬可得到較準(zhǔn)確的結(jié)果．而在一些復(fù)雜問題的研究中，如循環(huán)流化床內(nèi)的稠密氣同兩相流動問題【9』，并不總是能得到滿意的結(jié)果．其中本構(gòu)機(jī)理不清是產(chǎn)生該問題的主要原因之一．對于多相流動問題，顆粒的受力關(guān)系是本構(gòu)關(guān)系最主要的內(nèi)容．以往顆粒所受到的氣動力主要采用單顆粒的理論分析與實(shí)驗(yàn)測量所獲得的關(guān)系進(jìn)行分析，如源于經(jīng)典流體理論與實(shí)驗(yàn)的單顆粒曳力(Drag)關(guān)系在許多計算中被廣泛采用110J．但是對于復(fù)雜的稠密顆粒流動問題，顆粒與流體的緊密耦合作
8、用、顆粒間相互影響等問題，必然使顆粒的受力變得復(fù)雜化，源于理想條件下所獲得的本構(gòu)關(guān)系必然與所研究的實(shí)際問題存
