發(fā)布時(shí)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(yùn)動(dòng)等都伴隨著顆粒沉降等復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,研究顆粒沉降的機(jī)理對(duì)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(duì)顆粒沉降的研究主要采用數(shù)值模擬的方法,而實(shí)驗(yàn)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(cè)速技術(shù)(Particle Imagine Velocimetry,PIV)的不斷完善,為觀察流體中顆粒物的運(yùn)動(dòng)提供了一個(gè)更加精確的研究方法,該方法克服了單點(diǎn)測(cè)試的局限性,不僅可以測(cè)量平面二維流場(chǎng),而且還是一種無(wú)擾動(dòng)的測(cè)量方法。本論文采用PIV實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究顆粒沉降過(guò)程中顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)周圍流體擾動(dòng)引起的流場(chǎng)特性,并且采用改進(jìn)的光滑粒子動(dòng)力學(xué)(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)數(shù)值模擬方法來(lái)模擬顆粒沉降的過(guò)程,將實(shí)驗(yàn)與模擬的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。論文的主要工作如下:(1)對(duì)粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和組裝,首先進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),與學(xué)者們的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了本文實(shí)驗(yàn)設(shè)置的準(zhǔn)確性與可靠性。對(duì)在重力作用下單個(gè)顆粒在通道中的沉降過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(duì)顆粒沉降流場(chǎng)特性的影響;通過(guò)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(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了顆粒的位置、密度和粘度等對(duì)顆粒沉降的軌跡、速度場(chǎng)及偏移位移的影響。(2)增加沉降顆粒的數(shù)目,對(duì)雙顆粒的沉降過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置三種不同的沉降位置,即兩顆粒在等高不對(duì)稱位置、等高對(duì)稱位置和不等高對(duì)稱三個(gè)位置釋放。研究?jī)蓚�(gè)顆粒沉降過(guò)程的流場(chǎng)特性,并將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與單個(gè)顆粒沉降時(shí)的軌跡進(jìn)行對(duì)比,得出顆粒在沉降的過(guò)程中除壁面效應(yīng)對(duì)顆粒沉降的影響外,顆粒與顆粒之間的相互作用對(duì)顆粒沉降軌跡的影響也比較大。在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jìn)的SPH數(shù)值模擬方法對(duì)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行模擬。改進(jìn)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(jìn)的耦合動(dòng)力邊界處理方法,提高了邊界粒子插值精度。對(duì)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(guò)程進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果基本吻合。
【學(xué)位單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)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(cè)量位置側(cè)面照射進(jìn)入，光束被沉降粒子阻擋，在球體示。球體粒子的位置是通過(guò)球體粒子的最上方 濾波器，減小球體的模糊運(yùn)動(dòng)，設(shè)立一個(gè)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(cè)量位置4 圖像處理方法因?yàn)榧す馐鴱娜萜鱾?cè)面照射進(jìn)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(guò)球體粒子的最上方確定的，通過(guò)使保護(hù)的 Kuwahara 濾波器，減小球體的模糊運(yùn)動(dòng)，設(shè)立一個(gè)合適的閾值，經(jīng)過(guò)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(guò) 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(duì)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(duì) 0.5 像素的粒子位移的相對(duì)誤差約為 17%。移去球體粒子內(nèi)部和后片大約有 10 個(gè)向量是非真的。這約占向量總數(shù)的 1%，與紊流流場(chǎng)的是比較低的。由于流體在球體的中心平面上是層流的，實(shí)際上是二維致平面外的運(yùn)動(dòng)，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(jī)誤差，通過(guò)以上關(guān)于 PIV 實(shí)驗(yàn)原理及方，PIV 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選擇合適的脈沖時(shí)間間隔 Δt 和合適的詢問(wèn)區(qū)是至
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本文編號(hào)：2840568