多相流动的直接数值模拟进展

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1、万方数据第33卷第4期力学进展V01．33N042003年11月25目ADVANCESINMECHANICSNov25．2003多相流动的直接数值模拟进展+仇轶由长福祁海鹰徐旭常清华大学煤的清洁燃烧技术国家重点实验室，北京100084摘要多相流动的直接数值模拟的讨论就是把流场中颗粒周围计算网格缩小到颗粒尺寸以下进行流动的计算，颗粒的受力不是通过模型计算，而是通过积分表面的黏性力与压力获得．直接模拟方法的出现标志着人们对多相流动的认识从宏观扩展到微观层次．主要介绍了几种先进的直接模拟的方法：基于体适应的非结构化移动网格方法；基于固定网格方法；其它方法关

2、键词多相流，直接模拟，任意拉格朗日一殴拉法(ALE)，虚拟区域法，界面跟踪法(front-tracking)，流体体积法(VOF)，水平集法(1evelset)，格子波尔茨曼法(Lattice-Boltzmann)1引言多相流动的数值模拟研究是多相流学科领域发展的一个重要方向，探索先进、准确的数值模拟方法越来越受到该领域的重视．目前，多相流动的数值模拟得到广泛的开展，出现了各种各样的模拟方法．但是，对该问题进行直接数值模拟只是最近时期随着计算能力的提高才逐渐开展．所谓直接数值模拟(directnumericalsimula-tion，DNS)就是一种

3、不引入模型的数值计算过程．目前，对于两相流动的直接数值模拟存在两个层次的理解：一种是把颗粒处理成点源，气相采用湍流直接数值模拟的方法，诸如文献【1]采用谱方法直接求解气相湍流，颗粒相采用点源处理，文献【2】采用了高阶有限差分法进行气相的直接数值模拟，颗粒相仍为点源处理；另一种把流场中颗粒周围计算网格缩小到颗粒尺寸以下进行流动的计算，颗粒占据有限体积，颗粒的受力不通过模型进行计算，而是通过积分表面的黏性力与压力获得．后者又称为真正的直接数值模拟(trueDNS，TDNS)．相比较而言，这两种层次的直接数值模拟各有优缺点．前者精确地考虑了流体湍流过程，但

4、是由于把颗粒作为点源处理，该方法只能提供颗粒削弱流体湍流的模型；而TDNS由于它不仅可以给出实际流动中颗粒的受力规律，而且可以给出有收稿日期：2002-11·23，修回日期：2003-06-13’国家自然科学基金(10102009)资助项目限尺寸颗粒(或气泡)的脉动及其尾涡对流体湍流的作用，为构造颗粒(或气泡)本身的湍流模型及其增强流体湍流的模型提供依据．本文主要讨论后面一种数值计算方法及其应用情况．最近，美国国家科学基金会投入上百万美元资助了一项固液流动直接数值模拟的研究工作：Di．rectnumericalsimulationandmodelin

5、gofsolid-liquidflows(NSF／CTS-9873236)．该工作是由UniversityofMinnesota的D．Joseph教授主持，课题起止时间为：1998年至2001年．从该课题发表的文献可知，主要采用有网格方法有限元进行颗粒运动的直接数值模拟．文献[3]为其中有代表性的研究结果．有关该课题的详细情况与进展可访问网址：http：／／www．aeln．umll．edu／research／．在多相流动的直接数值模拟中，颗粒的运动势必造成边界的移动．因此，采用传统的网格对计算区域进行离散则需要在每一个计算时刻都要进行网格的再生成以

6、避免网格的畸变给计算带来的困难．而网格的生成给计算带来了很大的工作量．因此减少计算量问题成为采用有网格方法直接模拟多相流动所面临的棘手问题．为了减少网格重构的计算量的问题，一些学者如Glowinski，Tryggvason，Matsumoto等人也开展了一些相当有意义的工作，这些将在本文后面进行介绍．虽然直接模拟的计算量相当巨大，但是由此所得507万方数据到的微观流动现象与规律对于准确建立宏观多相流模型具有重要的意义．以颗粒在流场中的受力关系为例．目前，对于许多多相流动问题的数值模拟，当采用模型化方法计算时，如欧拉一欧拉(Euler．Euler)模型

7、【4I“、欧拉一拉格朗日(Euler—Lagrange)模型16”81等，在一些简单问题上，如稀疏气固两相流动问题，数值模拟可得到较准确的结果．而在一些复杂问题的研究中，如循环流化床内的稠密气同两相流动问题【9』，并不总是能得到满意的结果．其中本构机理不清是产生该问题的主要原因之一．对于多相流动问题，颗粒的受力关系是本构关系最主要的内容．以往颗粒所受到的气动力主要采用单颗粒的理论分析与实验测量所获得的关系进行分析，如源于经典流体理论与实验的单颗粒曳力(Drag)关系在许多计算中被广泛采用110J．但是对于复杂的稠密颗粒流动问题，颗粒与流体的紧密耦合作

8、用、颗粒间相互影响等问题，必然使颗粒的受力变得复杂化，源于理想条件下所获得的本构关系必然与所研究的实际问题存