湍流气固两相流动数值模拟理论研究的最新进展

    目前，国际_仁对湍流气I}两相流的数模理论研究的趋势是，无论从研究方向、内容和方法，都越来越与单相湍流的研究接近。因此，气固两相流动数值模拟与湍流气相流动数值模拟相似，均己发展了包括直接数值模拟、离散涡模拟、大涡模拟的微观模拟，工程中复杂湍流的统观模拟以及介于两者之间的概率密度函数模拟。本文对其发展及最新进展进行综述。

    1微观模拟

    1.1直接数值棋拟

    直接数值棋拟是在湍流小尺度的网格尺寸内求解瞬态三维N一方程，模拟各相流场及揣流特性，是对湍流模拟的最根本方法。其优点是:一是数据精确，因为N一方程本身是精确和自身封闭的，产生的误差只能是由数值解法所引入;其次，这种方法可提供湍流产生及发展的细节，因此该方法主要用于揭示揣流本身发生、发展的规律的研究。由于湍流脉动运动中包含着大小不同尺度的涡运动，要模拟湍流真实流动，计算网格的尺寸必须与真实涡的尺寸相对应，大应到可以包含最大尺度的涡:小应到足以分辨最小尺度的涡运动，因此，直接数值模拟要求计算机的内存容量与计算时间非常巨大。

    由于方程的复杂性和对计算机性能要求的特别高，在现有的计算机能力限制下，对单相湍流流动直接数值模拟只能计算中等以下的雷诺数，且具有简单几何边界的湍流流动，目前直接模拟尚难应用于湍流气固两相流动实际工程装置尺寸的复杂湍流研究上。

    1 .2大涡棋拟

    大涡模拟又称为亚网格尺度模型，它把紊流分成大尺度紊流和小尺度紊流，对大尺度涡团通过直接求解经过修正的三维非定常N-S方程而得到其运动特性，而对小尺度祸团采用湍流模型封闭。这种方法网格尺度比湍流尺度大，可以通过模拟湍流发展的一些细节，对湍流运动特性和结构进行细致的研究和分析，有助于人们在简化雷诺方程时合}'i'地选择所做的假设，但大涡模拟所需的计算机存储虽和机时仍很大。

    大涡模拟起初应用于Ur究比较尚单的r和创切流及管流，近年来开始被用于直方管内湍流运动的研究中。直方管中的湍流流动什随着横截面内微弱的二次流动，二次流对于管道的几何形状和雷诺数很敏感。

    1.3离散涡模拟

    离散涡模拟又称随机涡模拟，是把湍流流场分成一系列尺度的涡元，在拉氏坐标中用涡元的随机运动来模拟流食。离散涡模拟对二维不QI if缩、非定常、高雷诺数流动的直接数值模拟具有优越性;它可以较为真实地反映湍流产生及发展过程的机理，无需用其它模型封闭，数值耗散小，具有自适应性，无需区分层流或湍流，且适合于模拟绕复杂几何外形的分离流动。但此方程不能模拟小尺度涡的湍流流场，大部分研究仍限于简单流动中的定性结果，而且计算量也非常大，耗时长，很难用于工程_L二维复杂气固流动。