● 摘要
在化工设备中,人们常常使参加反应的流体保持湍流状态,这样可以增加化学反应的速度。而这种化学反应流就称为湍流反应流。大量工程实际问题的解决与湍流反应流研究密切相关,大涡模拟的发展为解决湍流反应流问题开辟了一条新的途径。湍流混合、扩散和化学反应过程的大涡模拟,是湍流反应流大涡模拟的关键所在。在湍流反应流动中,湍流的混合、扩散过程会加速反应物的掺混,强烈影响着湍流中发生的化学反应的质量和进程,是湍流与化学反应强烈耦合的关键。流体质点的拉格朗日时间关联是湍流混合、扩散过程的有效量度。研究亚格子尺度模型对拉格朗日时间关联的影响,是大涡模拟在湍流混合、扩散以及粒子流动中应用的一个基本问题,也是湍流反应流大涡模拟的一个基本问题。本文使用被动矢量方法计算流体质点的拉格朗日速度,通过直接数值模拟、滤波直接数值模拟以及大涡模拟三者计算出了一系列拉格朗日自相关统计量。研究发现,拟涡能(谱)对拉格朗日时间自相关有重要的影响。拟涡能(谱)在大涡模拟中会被截断,但这样的截断是会造成相当一部分拟涡能的损失的,最终导致大涡模拟高估拉格朗日时间关联的结果。如果保证拟涡能(谱)的分辨,则可以大大提高大涡模拟计算拉格朗日时间自相关的准确性。因而本文提出在发展亚格子模型的新的衡量标准,即不仅要用能量(谱)作衡量,还要引入拟涡能(谱)作为另一个衡量标准。化学反应过程的大涡模拟的主要问题是化学反应项的亚格子模型的模化,这也是湍流反应流大涡模拟研究的另一个关键。化学反应项是非线性源项,在大涡模拟方程中表现为一个不封闭项,它的模化与湍流的亚格子模型的模化有本质的不同:一方面不能根据能量级串的原理来构建;另一方面,化学反应主要集中在小尺度区域,大涡模拟的滤波操作会将这些尺度全部过滤掉,很难反映出化学反应过程。本文发展了非预混简单化学反应(湍)流的条件滤波大涡模拟方法。在这里,条件滤波化学反应项使用标量的条件滤波值在一阶水平上封闭,并且这种封闭效果在与DNS数据的对比中得到了很好的“先验”验证。同时,对条件滤波方程中新出现的其他不封闭项采用了不同的化简假设封闭,这些封闭模型在与DNS数据的对比中也得到了很好的“先验”验证。最后,本文采用了“半后验”的方式,在非预混简单化学反应流动中,验证条件滤波大涡模拟方法,计算了反应物标量的统计量,得到了与DNS符合很好的结果。“先验”和“半后验”的结果分别从理论和应用的角度检验了条件滤波大涡模拟方法的效果,展示了它的广阔的应用前景。此外,在多相反应流中,由于化学反应常常发生在多相交界面处,因而,交界面追踪的问题也是要考虑的关键。由于没有网格的约束和限制,无网格粒子方法可以灵活追踪较强烈的交界面变形情况,具有很好的适应性。在两相甚至多相化学反应流动中,具有很好的应用前景。本文使用光滑流体质点动力学方法计算了典型的交界面流动-溃坝自由表面流,编写了用于计算单壁面、双壁面、以及加拦截格栅的溃坝流动的SPH程序,改进并检验了该方法的稳定性和适用性,为其在今后的追踪交界面问题中的应用奠定了基础。