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Re数层流管道中颗粒聚集特性的数值研究

刘唐京 王企鲲 邹赫

刘唐京,王企鲲,邹赫. 高Re数层流管道中颗粒聚集特性的数值研究 [J]. 应用数学和力学,2023,44(1):70-79 doi: 10.21656/1000-0887.430075
引用本文: 刘唐京,王企鲲,邹赫. 高Re数层流管道中颗粒聚集特性的数值研究 [J]. 应用数学和力学,2023,44(1):70-79 doi: 10.21656/1000-0887.430075
LIU Tangjing, WANG Qikun, ZOU He. Numerical Investigation of Particle Focusing Patterns in Laminar Pipe Flow With High Reynolds Numbers[J]. Applied Mathematics and Mechanics, 2023, 44(1): 70-79. doi: 10.21656/1000-0887.430075
Citation: LIU Tangjing, WANG Qikun, ZOU He. Numerical Investigation of Particle Focusing Patterns in Laminar Pipe Flow With High Reynolds Numbers[J]. Applied Mathematics and Mechanics, 2023, 44(1): 70-79. doi: 10.21656/1000-0887.430075

Re数层流管道中颗粒聚集特性的数值研究

doi: 10.21656/1000-0887.430075
基金项目: 国家自然科学基金(51776128)
详细信息
    作者简介:

    刘唐京(1997—),男,硕士生(E-mail:848691545@qq.com

    王企鲲(1978—),男,副教授,博士(通讯作者. E-mail:wangqk@usst.edu.cn

  • 中图分类号: O359

Numerical Investigation of Particle Focusing Patterns in Laminar Pipe Flow With High Reynolds Numbers

  • 摘要:

    该文基于“相对运动模型”对高Re数层流管道中颗粒的惯性聚集特性进行了数值模拟。为了解决高Re数流长管道问题,对管道进、出口施加了周期性边界条件。研究结果表明,采用周期性边界条件可以有效地减小计算域,选用L=4D的管道便可计算出高Re数管流中颗粒的受力特性。与低Re数不同的是:随着Re数的不断增大,颗粒在径向上的升力不再呈类抛物线分布,升力曲线在r + =0.5 ~ 0.7之间出现一个下凹的区域,在这个区域内有出现新聚集点的趋势,并且用a + =1/17的颗粒在Re>1 000时得到了这个新聚集点的位置。此外,通过对流场进行分析,发现颗粒的周围有二次流产生,其强度随着Re数的增大以及颗粒向壁面靠近逐渐增强,而二次流的产生影响了颗粒升力空间分布。

  • 图  1  计算模型示意图

    Figure  1.  The sketch for the numerical model

    图  2  网格示意图:(a)管道网格;(b)颗粒周围网格

    Figure  2.  Schematic diagrams of the grids: (a) pipeline grid; (b) grids around particle

    图  3  网格无关性验证

    Figure  3.  Grid independence verifications

    图  4  不同边界条件的模拟结果

    Figure  4.  Simulation results under different boundary conditions

    图  5  不同周期长度下的升力分布

    Figure  5.  The lift distribution under different period lengths

    图  6  不同周期长度下的扰动强度对比:(a) L=2D;(b) L=3D;(c) L=4D;(d) L=5D

    Figure  6.  Comparisons of disturbance intensities under different period lengths: (a) L=2D; (b) L=3D; (c) L=4D; (d) L=5D

    图  7  Re=800的计算结果:(a) 升力分布;(b) 扰动强度

    Figure  7.  Calculation results for Re=800: (a) lift distribution; (b) disturbance intensity

    图  8  不同Re下颗粒的升力分布:(a) Re=50;(b) Re=350;(c) Re=500;(d) Re=800

    Figure  8.  The lift distribution of particles under different values of Re: (a) Re=50; (b) Re=350; (c) Re=500; (d) Re=800

    图  9  a + =1/17,Re≥1 000的计算结果:(a) Re=1 600时的扰动强度;(b) 升力分布

    Figure  9.  The calculation results of a + =1/17, Re≥1 000: (a) the disturbance intensity at Re=1 600; (b) the lift distribution

    图  10  x=0截面的速度云图和矢量图(r + =0.4):(a) Re=50;(b) Re=350;(c) Re=500;(d) Re=800

    Figure  10.  Velocity contours and velocity vectors of section x = 0 (r + =0.4): (a) Re=50; (b) Re=350; (c) Re=500; (d) Re=800

    图  11  x=0截面的速度云图和矢量图(r + =0.6):(a) Re=50;(b) Re=350;(c) Re=500;(d) Re=800

    Figure  11.  Velocity contours and velocity vectors of section x = 0(r + =0.6): (a) Re=50; (b) Re=350; (c) Re=500; (d) Re=800

    图  12  x=0截面的速度云图和矢量图(r + =0.8):(a) Re=50;(b) Re=350;(c) Re=500;(d) Re=800

    注 为了解释图中的颜色,读者可以参考本文的电子网页版本。

    Figure  12.  Velocity contours and velocity vectors of section x = 0 (r + =0.8): (a) Re=50; (b) Re=350; (c) Re=500; (d) Re=800

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-08
  • 修回日期:  2022-07-11
  • 网络出版日期:  2023-01-03
  • 刊出日期:  2023-01-15

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