發(fā)布時間：2020-10-14 10:46

　　 水流中泥沙污染物的沉降,大氣中粉塵、煙霧的運動等都伴隨著顆粒沉降等復(fù)雜的動力學(xué)問題,研究顆粒沉降的機理對河道的清潔,粉塵顆粒污染物的收集、大氣污染物的治理等具有重要的意義。目前針對顆粒沉降的研究主要采用數(shù)值模擬的方法,而實驗方法研究顆粒沉降是比較直觀、準(zhǔn)確的研究手段。隨著粒子圖像測速技術(shù)(Particle Imagine Velocimetry,PIV)的不斷完善,為觀察流體中顆粒物的運動提供了一個更加精確的研究方法,該方法克服了單點測試的局限性,不僅可以測量平面二維流場,而且還是一種無擾動的測量方法。本論文采用PIV實驗方法來研究顆粒沉降過程中顆粒的運動規(guī)律和顆粒運動對周圍流體擾動引起的流場特性,并且采用改進的光滑粒子動力學(xué)(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)數(shù)值模擬方法來模擬顆粒沉降的過程,將實驗與模擬的結(jié)果進行了對比。論文的主要工作如下:(1)對粒子圖像測速技術(shù)(PIV)及相關(guān)實驗儀器進行了設(shè)計和組裝,首先進行了驗證性實驗,與學(xué)者們的研究結(jié)果進行對比,驗證了本文實驗設(shè)置的準(zhǔn)確性與可靠性。對在重力作用下單個顆粒在通道中的沉降過程進行實驗。實驗中設(shè)置了三種顆粒釋放位置,研究在同一雷諾數(shù)(Re)下,不同的釋放位置對顆粒沉降流場特性的影響;通過改變流體介質(zhì)的密度和粘性,設(shè)置三組不同的Re,研究相同位置不同的Re情況下顆粒沉降的過程。通過實驗得出了顆粒的位置、密度和粘度等對顆粒沉降的軌跡、速度場及偏移位移的影響。(2)增加沉降顆粒的數(shù)目,對雙顆粒的沉降過程進行實驗。實驗設(shè)置三種不同的沉降位置,即兩顆粒在等高不對稱位置、等高對稱位置和不等高對稱三個位置釋放。研究兩個顆粒沉降過程的流場特性,并將實驗的結(jié)果與單個顆粒沉降時的軌跡進行對比,得出顆粒在沉降的過程中除壁面效應(yīng)對顆粒沉降的影響外,顆粒與顆粒之間的相互作用對顆粒沉降軌跡的影響也比較大。在實驗過程中出現(xiàn)了雙顆粒沉降中經(jīng)典的DKT現(xiàn)象,即拖拽(drafing)、接觸(kissing)與翻轉(zhuǎn)(tumbling)現(xiàn)象。(3)采用相似理論和改進的SPH數(shù)值模擬方法對設(shè)置的實驗情況進行模擬。改進的SPH方法采用了一種新的液固耦合模型,消除了粒子屬性差異引起的數(shù)值震蕩,采用了改進的耦合動力邊界處理方法,提高了邊界粒子插值精度。對單顆粒在不同位置與不同Re下的情況與雙顆粒三種不同位置的沉降過程進行模擬,得到顆粒沉降的速度云圖與速度矢量圖等,將得到的顆粒沉降的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比,結(jié)果基本吻合。
【學(xué)位單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O359
【部分圖文】：

2.4 高分辨率（a）和低分辨率（b）下測量位置側(cè)面照射進入，光束被沉降粒子阻擋，在球體示。球體粒子的位置是通過球體粒子的最上方 濾波器，減小球體的模糊運動，設(shè)立一個合適 方向的位置可以以像素的精度確定（圖 2.6（d部和后面的向量從圖片中移除。如圖 2.5（b）

圖 2.4 高分辨率（a）和低分辨率（b）下測量位置4 圖像處理方法因為激光束從容器側(cè)面照射進入，光束被沉降粒子阻擋，在球體的后面沒有流速量如圖 2.5（a）所示。球體粒子的位置是通過球體粒子的最上方確定的，通過使保護的 Kuwahara 濾波器，減小球體的模糊運動，設(shè)立一個合適的閾值，經(jīng)過濾后，球體粒子在 y 方向的位置可以以像素的精度確定（圖 2.6（d））。確定了粒子之后，球體粒子內(nèi)部和后面的向量從圖片中移除。如圖 2.5（b）（c）所示

圖 2.6 PIV 記錄 Re=15 (b)經(jīng)過 Kuwahara-濾波后的部分記錄(c)設(shè)置閥值后的結(jié)果 (d)粒子后部放大圖對于大于 0.5 像素的位移，精度約為 0.1 像素，導(dǎo)致最高速度的相對 0.5 像素的粒子位移的相對誤差約為 17%。移去球體粒子內(nèi)部和后片大約有 10 個向量是非真的。這約占向量總數(shù)的 1%，與紊流流場的是比較低的。由于流體在球體的中心平面上是層流的，實際上是二維致平面外的運動，因此，平面外矢量影響較小。差分析及可行性分析分析誤差分析分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差，通過以上關(guān)于 PIV 實驗原理及方，PIV 實驗過程中，選擇合適的脈沖時間間隔 Δt 和合適的詢問區(qū)是至
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本文編號：2840568