重力对水平两相湍射流中颗粒行为的影响

    水平气粒两相或多相射流是燃煤锅炉等众多工程装置广泛涉及的流动形式。其中运动颗粒在气相射流场中会受到曳力、升力、压力梯度力、附加质量力和体积力以及颗粒间可能的碰撞力等诸多作用。一方面,对于稀疏气粒两相非定常射流流动,已有分析表明,与颗粒运动受到的曳力相比,包括压力梯度力、附加质量力和颗粒间的碰撞力在内的各种可能的力作用都会小一个数量级以上,忽略它们的影响是合理的[1]。另一方面,关于重力对富含拟序结构的剪切流动中运动颗粒行为的可能影响,虽然一直是难以回避的一个因素,但目前却无明确的结论。

　　在已经开展的两相射流研究中,关于重力对颗粒行为特性的影响,由于供粉等方面的原因,少有实验研究结果的报道。实际情况是,业已公布的绝大多数文献均为关于竖直方向上两相流动的实验工作[2～5]。在数值模拟方面,更多的是探讨流体曳力作用下的颗粒行为,不考虑重力的影响[6,7]。

　　在这种情况下,本文采用大涡模拟研究重力对平面射流中颗粒行为的影响,为两相或多相流燃烧器组织火焰和改进性能提供依据。由于平面射流场颗粒的瞬时分布状况和入流两相滑移条件有重要关系[8],以下关于重力影响的分析和研究将考虑:(Ⅰ)α=1.0,气粒均匀预混,两相无滑移;(Ⅱ)α=0.0,颗粒以静止状态进入射流的两种工况。

    1　控制方程及离散方法

　　以图1所示的两个半无限大平板下游的两相流动为研究对象,射流。采用大涡模拟对两相射流中的气相场进行Euler方法求解。对直角坐标系下的绝热、不可压缩平面自由湍射流流动的质量连续方程和Navier-Stokes方程进行滤波,并以喷口半宽b0、喷口平均流速U0以及相应的时间尺度b0/U0做为射流特征尺度进行无量纲化,得到下述控制方程。式中所有变量均是经过无量纲化和滤波的变量。

　　连续方程

式中:μ*=μ+μT,μ为分子粘性,μT为湍流粘性,用Smagorinsky亚格子模式模拟。采用分步投影方法对上述控制方程进行求解[9]。

　　颗粒相的运动采用Lagrange方法求解。本文采纳文献[6]的假设,即假定颗粒相的运动满足:①所有的颗粒都是不变形的刚性球;②颗粒与颗粒之间的相互碰撞可以忽略;③颗粒相的数目是这样,以至于颗粒相对气相的作用可以忽略;④虚拟质量力、压力梯度力和Basset力等与作用于颗粒上的曳力相比,可以忽略;⑤颗粒相密度远远大于气相的密度。

　　这样,每个颗粒的轨道可通过对运动方程和动量方程进行直接积分求得

其中,颗粒相Reynolds数定义为为颗粒直径。重力对颗粒在射流场中行为的影响通过在方程(5)右端无量纲重力作用项1/Fr2(Froude数)实现