流体漩涡中小颗粒运动规律的实验研究(2)
2 漩涡中小颗粒的运动的研究现状
99年，黄社华等人 研究了旋涡二次流中的颗粒运动。他们分析了稀疏颗粒在简单旋涡流场中的运动规律, 探讨了颗粒的物理性质、二次涡流结构及初始条件对颗粒运动特性的影响, 从而得到了二次旋涡捕获颗粒的运动学和动力学条件。此外, 针对实际二次涡流特征提出了数学模型,并计算了其中颗粒的运动轨迹。他们通过对二次涡流场中稀疏颗粒的运动进行理论分析和数值计算, 得到以下结论:
(1) 颗粒在自由涡和强迫涡中均作螺线性离心运动。相对而言颗粒在自由涡中比在强迫涡中能更快地离开旋涡中心。
(2) 在涡与汇的复合流场中, 在一定条件下颗粒运动可能形成封闭的运动轨迹, 说明这时颗粒将在旋涡中稳定运动。因此, 旋涡能够积聚一定数量的颗粒并保持一段时间, 形成旋涡所在区域附近颗粒浓度的相对增加, 这将加剧局部泥沙磨损作用。
(3) 具有点汇(Q < 0) 性质是局部旋涡进入其中运动的必要条件。颗粒物理性质(粒径和密度)、初始条件、旋涡几何尺寸和结构是决定颗粒是否参与某一局部旋涡二次流区的运动及磨损作用的关键参数, 本文研究给出了二次涡捕获固体颗粒的运动学和动力学条件。
(4) 复合涡模型中颗粒运动数值计算结果定量地表明, 旋涡切向指数较小(强迫涡中) 时, 颗粒易于进入局部旋涡中心； 粒径和密度小的颗粒容易被卷入局部旋涡运动。
2010年，黄海明和徐晓亮 用数值模拟的方法研究了漩涡合并过程中颗粒的运动规律。他们基于涡团分裂合并机制，以一种改进的涡核扩散方法(CCSVM)计算了二相流中的漩涡合并与演化，在此基础上采用单颗粒轨道模型计算、分析了漩涡合并过程中的颗粒运动轨迹。研究结果表明:漩涡合并过程中的颗粒轨迹是一条螺旋线,并且保持与漩涡相同的旋转方向，合并后的漩涡中心即为达到稳定状态后的环状颗粒群中心；合并时间与环量初始值、漩涡半径与涡心距比值的初始值有关;特定条件下,颗粒群中会生成一条拉伸的尾迹，尾迹的产生与黏度系数、颗粒与漩涡的相对位置、合并漩涡环量的不对称性有关。
2002年，黄远东、吴文权、张红武、王光谦 数值研究了非定常不稳定液固两相流动中旋涡对颗粒运动影响。他们构建起双向耦合的液固两相流动旋涡动力学模型与数值方法；应用离散涡方法，计算非定常不稳定水流场，采用Lagrange 方法模拟颗粒运动，颗粒对流体的反作用通过修正涡泡运动速度来实现。利用所建模型，计算了两种St 数的泥沙粒子在圆柱绕流场中的运动。结果证明了液固两相流动中颗粒运动与旋涡存在着明确的相关结构：
( 1) 当水沙混合物中的泥沙颗粒碰上旋涡时，泥沙颗粒被卷入旋涡中，被卷入旋涡中的泥沙颗粒在运动过程中始终分布于旋涡区；
( 2) 均匀水沙混合物绕圆柱流动，由于流体流过圆柱时产生剧烈分离流动，使得在尾迹流内中等St数( St ~ o ( 1) ) 的泥沙颗粒从均匀水沙混合物中分离出来而往旋涡区聚集。
3 漩涡的相关理论知识
3.1 流体中漩涡的含义
流体漩涡是做旋转运动的一种流体运动。流体本身不仅发生转动，而且其中任一股小单元均绕着瞬时轴线，以某一角速度做旋转运动。在自然界和工程中常常出现大尺度流体团的强烈旋转现象，如龙卷风、旋风、水流过桥墩时的漩涡、机翼尾涡等，都是漩涡运动。如图3.1显示的是水流形成的漩涡。其他流体在容器内发生转动也能产生漩涡。
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