改进的CSF流体表面张力模型

传统连续表面力(continuum surface force,CSF)模型模拟流体表面张力时,流体表面的粒子受到的表面张力都是法向力,很难保证流体表面的光滑性,从而使得表面张力模拟失真;此外,流体表面的粒子不足还导致流体表面密度计算精度降低,模拟稳定性差。文章在CSF模型的基础上,对流体表面施加切向力,使得流体表面更加光滑;对边界粒子进行密度修正,提高了密度计算精度和模拟的稳定性。仿真实验结果表明,该方法模拟的流体表面张力效果更好。     

基于分子间作用力改进的液体表面张力处理算法

基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法处理液体自由表面是一个挑战性问题,其主要原因是液体自由表面张力难以真实模拟以及气-液交界面的粒子不足造成的边界截断所引发的数值计算不稳定。文章在传统的处理表面张力的粒子间相互作用力(inter-particle interaction force,IIF)模型基础上,结合气体压力法,构造了一种新的液体表面张力处理算法。仿真实验结果表明,该文方法能够稳定和比较准确地模拟液体自由表面张力,模拟的液体自由表面更光滑、更真实。此外,该文还提出了一种新的核函数,提高了模拟效率。     

流体自由表面模拟的一种改进算法

基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法的流体自由表面的模拟需要在流体自由表面附近生成空气粒子来保证模拟精度,传统方法生成的空气粒子分布不够均匀平滑,影响模拟效果,而且计算量较大。文章对传统的连续表面力(continuum surface force,CSF)模型流体自由表面模拟添加空气粒子的方法进行改进,首先在流体自由表面的法向上动态生成双层空气粒子,然后对生成的空气粒子施加切向力,使得空气粒子均匀分布,从而提高流体自由表面的模拟精度。考虑到一般模拟的时间步长很短,空气粒子的位置在单位时间步长下变化很小,可以近似认为短时间内上一时间步的空气粒子还是下一时间步的空气粒子,因此文中提出自适应间隔时间步长重新生成空气粒子的的方法,减少了计算量,提高了模拟效率。     

一种改进的流体模拟自由表面处理算法

文章基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,针对传统流体模拟自由表面处理方法——ghost方法计算量大、动态生成ghost粒子场量比较困难等缺陷,提出了一种改进的ghost粒子方法,使得ghost粒子场量生成更容易。仿真实验表明,文中方法模拟自由表面的效果比传统的ghost方法更好,效率更高。     

一种适用于移动粒子半隐式法的自由表面识别方法

针对移动粒子半隐式 (MPS) 法中自由表面判定方法的不足,提出了一种基于邻居搜索的自由表面识别方法,其介于MPS法每时间步的显式和隐式修正之间,基于粒子周围的邻居分布,将周围区域分为8块,其中相邻区域无邻居时的粒子属于自由表面粒子,且在实际中,该方法与粒子数密度参数混合使用,在可能被误判的数密度参数区域使用邻居搜索.结果表明,该混合方法能够有效识别自由表面,避免非自由表面粒子被误判,且对算法的效率影响不大.     

二维自由表面流动的光滑粒子动力学方法数值模拟

在流体微可压缩的假定下,运用光滑粒子动力学(SPH)方法模拟了二维自由表面流动问题.选用正则化五次样条函数作为SPH核函数,由状态方程求得压力,采用显式三步法进行时间积分,利用链表法作为粒子搜索策略,并引入动态粒子模拟边界条件,提出了多项修正措施以弥补SPH方法的缺点.研究表明,文中计算结果与实验数据吻合,计算精度理想,且消除了流体粒子附着在边界上的不合理现象.     

液滴变形及表面张力模拟的光滑粒子动力学方法

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法是一种Lagrange无网格粒子方法,在多相流模拟方向有着巨大的潜力。液体表面张力是多相流动的一个很重要的作用力。该文采用连续表面力(continuum surface force,CSF)模型和粒子间相互作用力(inter-particle interaction force,IIF)模型在SPH方法中引入表面张力,比较了这两种模型对液滴变形过程的模拟。CSF模型与理论结果之间的比较表明,CSF模型很好地模拟表面张力的效应。而IIF模型虽然也可以用于计算表面张力,但与CSF模型相比,其模型参数的确定较为困难。     

剪切变稀型流体在搅拌槽中流动与混合特性数值模拟

使用计算流体力学(CFD)软件CFX对剪切变稀型流体混合特性进行了数值模拟。计算了剪切变稀型流体在不同转速下的自由液面高度及表面示踪粒子运动时间,并与实验进行了比较。搅拌槽直径D=480 mm,搅拌桨为45°两斜叶桨,无挡板,以某催化剂胶体为工作物料。自由液位高度计算方法采用VOF模型,层流状态。时间计算方法采用表面示踪粒子运动法,并比较了牛顿流体与剪切变稀型流体表面示踪粒子运动时间的差异。     

非挥发性溶质溶液两相问题的格子Boltzmann方法

溶液的气液两相体系广泛存在于工程问题中。由于其多组分和多相态以及组分之间相互作用的复杂性,用传统数值方法进行研究较为困难。该文提出了一种适用于非挥发性物质稀溶液的气液两相问题的格子Boltzmann方法。在Shan-Chen多组分格子Boltzmann模型的基础上,引入溶质与溶剂粒子间的作用力,建立了合理的作用力模型,完成了对溶液气液两相体系的数值模拟。模拟出了溶质的非挥发性以及表面非活性物质溶液的表面性质。表面吸附及表面张力的计算结果与相应理论公式符合很好。     

剪切变稀自由表面流动问题的不可压SPH模拟

为解决传统弱可压光滑粒子动力学(SPH)方法中,密度的微小变化能引起压力的非物理振荡,发展了一种新的不可压SPH方法,并将其推广到剪切变稀自由表面流动问题的数值模拟中。该方法采用压力Poisson方程求解流体压力,流体控制方程则通过分数步长法进行求解。首先,利用不可压SPH方法模拟了牛顿液滴在水平固壁上的铺展现象,并通过与文献结果的比较,验证了不可压SPH方法模拟自由表面流的有效性;随后,对牛顿液滴和剪切变稀液滴在倾斜固壁上的铺展现象进行了不可压SPH模拟,并讨论了两种液滴铺展现象的不同流动特征。数值结果表明,不可压SPH方法不仅能够有效克服弱可压SPH方法所产生的压力振荡问题,并且能够成功推广到剪切变稀自由表面流的数值模拟中。     

负压梯度下自由面流动模拟的无网格粒子法Dirichlet边界条件

为改善无网格粒子法自由表面附近计算精度及稳定性,尤其在负压梯度条件下较难收敛的状况,提出了一种基于虚拟边界的狄利克雷边界条件赋值方法。以移动粒子半隐式法为例,采用最小二乘法对自由表面粒子进行多项式拟合,以拟合曲线作为虚拟边界,用自由表面粒子到虚拟边界的偏差矢量对自由表面粒子赋值进行修正。通过方形液滴旋转算例验证了算法的有效性与准确性,获得了自由表面平滑的模拟结果。进一步研究了关键参数的选择对边界条件的表达和计算精度的影响,发现当拟合搜索半径为4倍初始粒子间距时,可减小拟合误差,防止边界畸变。提出的改进方法提高了自由表面核截断区域的计算精度与稳定性,可显著改善负压梯度下大变形自由曲面外缘粒子因梯度力偏差而导致的粒子飘散情况,为改善大变形复杂界面流动计算提供了新的思路。     

面向Ghost光滑粒子动力学模拟的图形处理器快速邻居搜索算法

提出了一种全新的快速邻居搜索方法,该方法可提高基于光滑粒子动力学的流体模拟在图形处理器上的运行效率。此外,这种新的邻居表建立方法可以对两种或者两种以上的粒子进行邻居搜索,使所有粒子能在同一背景网格下拥有独立的粒子属性。在此基础上,引入了Ghost边界粒子以加强光滑粒子动力学方法在边界模拟上的准确性,从而使流体模拟更加真实。实验证明,与传统的基于图形处理器的光滑粒子动力学模拟相比,本文方法效率更高。     

弱可压缩移动粒子半隐式方法对溃坝溢流问题的数值模拟

无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域最新一代的计算方法。由于不需要生成网格,无网格粒子法能够模拟任意形状的界面及其变形和碎裂,尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。其中,光滑粒子流体动力学方法(SPH)和移动粒子半隐式法(MPS)是无网格计算方法的典型代表。采用基于MPS法的修正弱可压缩移动粒子半隐式法(weakly compressible corrected moving particle semi-implicit method)构建了用于求解自由表面流问题的数值计算模型,并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明,采用基于WCCMPS无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算结果。     

耗散粒子动力学在流动数值模拟中的应用

对耗散粒子动力学方法在流动问题中的应用进行了理论及数值研究，给出了耗散流体粒子运动的控制方程组、边界条件、数值方法及随机数据统计方法等．提出用固壁粒子层结合流体粒子反弹运动的方法来处理固壁边界有滑移流动边界条件，有效地消除了目前耗散粒子动力学及分子动力学模型在固壁附近的粒子密度波动问题．利用该方法编程计算了2类流动问题：方腔驱动流动与泊肃叶流动，计算结果与现有的理论及数值结果比较吻合，验证了所采用的数学模型、计算方法在流动数值模拟中的可行性及潜在优势．     

自适应分层定位流体仿真模型

文章将自适应分层模型与3种现有的粒子方法相结合,得到3种改进的粒子方法,并对流体粒子进行大小粒子分层,可减少模拟使用的粒子,从而降低了原始方法的计算量;而通过使用较小粒子覆盖于流体表面,使得改进后的方法表面细节效果更佳。通过嵌入自适应分层模型,使得改进后的3种方法的计算效率得到了提高,表面细节也得到了保留甚至更佳。     

WC-CMPS法对溃坝溢流问题的数值模拟

无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域最新一代的计算方法,由于不需要生成网格,无网格粒子法能够模拟任意形状的界面及其变形和碎裂,尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。其中,光滑粒子流体动力学方法(SPH)和移动粒子半隐式法(MPS)是无网格计算方法的典型代表。本文采用基于MPS法的修正弱可压缩移动粒子半隐式(Weakly Compressible Corrected Moving Particle Semi-implicit Method)法构建了用于求解自由表面流问题的数值计算模型,并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明,采用基于WC-CMPS无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算结果。     

阳离子对阴离子型表面活性剂影响的分子模拟研究

使用密度泛函理论,在B3LYP/6-31G水平上,对十二烷基磺酸盐阴离子表面活性剂与阳离子(K+)形成的离子对进行结构优化,得到稳定的几何构型,进而从分子水平研究阴离子表面活性剂与阳离子之间的相互作用.计算结果表明,阳离子与表面活性剂的氧原子形成稳定离子构型,与阳离子结合后表面活性剂的极性头电荷减少从而降低了极性头间的排斥作用.进而利用介观层次的耗散粒子动力学,研究了阳离子加入对表面活性剂溶液体系表面张力的影响,结果表明,阳离子可显著降低阴离子型表面活性剂的临界胶束浓度,并提高其降低表面张力的效率.     

基于SPH方法的液体晃动数值模拟

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟研究贮液容器中带有自由表面的液体晃动问题.应用密度对比法捕捉自由表面粒子,并采用边界排斥力法与镜像粒子相结合的方法处理固体边界.计算了贮液容器中粘性流体的自由晃动以及外部激励下的一阶模态晃动,得到了自由液面的波动和监测断面上的压强分布.将计算结果与理论值以及前人的实验数据对比表明,光滑粒子动力学方法作为一种无网格法,能较好地模拟带有自由液面的液体晃动问题.     

微纳尺度下Couette流动的分子动力学模拟

为了研究微纳尺度下流体密度、壁面剪切速度以及不同材料的壁面对流体流动特性的影响,采用分子动力学方法对流体在微纳尺度下的Couette流动进行模拟。研究结果表明:随着流体密度增加流体与壁面作用力增大,壁面对近壁流体的束缚也增强,近壁面处流体粒子自由运动减弱导致流体扩散能力下降,同时流体等效黏度随密度增加而增大,滑移量减小;壁面剪切速度增大,导致近壁面处流体粒子数减少,流体等效黏度降低,流体粒子在通道中更容易进行无规则自由运动使其扩散能力增强;通过改变壁面材料,发现金属壁面作用力强于非金属,在金属材料近壁面处更容易吸附较多流体粒子,导致金属壁面附近流体等效黏度较大,滑移量相对较小。     

接触角测试的量高法的适用范围

量高法是接触角测试的一种简便的测试方法,在工程和研究中得到广泛应用。该方法基于液滴的球形假设,决定其仅有有限的适用范围。通过数值模拟的方法研究量高法所引起的接触角偏差,从而考察量高法的适用范围并给出接触角修正的方法。研究发现:采用量高法计算的接触角与真实接触角有很大的偏差,这种偏差在超疏水表面上的接触角测量中尤为明显,可达20°;偏差范围决定于液滴的性质、表面的润湿性能和液滴的体积,液体表面张力小、接触角大和液滴体积大将导致大的偏差。在超疏水或超疏油表面研究中,为精确表征表面的润湿性能,需要对量高法进行偏差修正,提出了一种用于偏差修正的方法,通过该方法可精确确定出真实接触角。