一种新的流体自由表面张力模拟方法

在流体模拟中，为了真实、有效地捕捉流体自由表面的微观特征，表面张力的真实模拟十分重要。针对现有的处理表面张力的粒子间相互作用力(inter-particle interaction force, IIF)方法模拟流体表面张力存在的流体自由表面不光滑、计算效率低、模拟效果不稳定等问题，文章提出一种新的流体自由表面张力模拟方法。首先提出一种快速准确检测流体自由表面粒子方法；然后构造新的粒子间作用力模型和表面面积最小化修正项，对检测出的自由表面粒子进行表面张力模拟，减少不必要的计算量；最后对临近自由表面处的流体粒子进行密度修正，提高自由表面附近流体粒子密度的计算精度。仿真结果表明，与已有的方法相比，该文方法对表面张力的模拟效率更高、效果更好。     

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。     

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。     

适用于粒子法的精准连续表面力模型

针对粒子法中表面张力计算的准确性问题,该文对连续表面力(continuum surface force,CSF)模型进行了改进。在采用一种几何法精准识别界面粒子的基础上,曲率由仅需考虑作用域内界面粒子的单位法线面散度计算得到,且表面张力仅作用于界面粒子。圆和椭圆的曲率计算结果表明,改进后的模型在合适的分辨率和光滑长度下可实现较高的曲率计算精度。采用移动粒子半隐式(moving particle semi-implicit,MPS)方法对表面张力作用下的方形液滴振荡和液滴碰撞过程进行了二维单相流动模拟,模拟结果的振荡周期与理论值接近,液滴形状合理且表面光滑,表明改进后的CSF模型可准确地模拟动态算例中的表面张力作用。     

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。     

基于粒子的水沸腾模拟

近年来,定位流体(position based fluids,PBF)方法以其高效的计算速率和真实的模拟效果成为模拟大场景流体运动的主流方法。文章基于PBF方法使用少量的流体粒子模拟水的沸腾场景。首先采用流体粒子作为热量传输的媒介,通过SPH方法中的核函数理论处理模型中的热传导,使得模拟区域的热量分布更连续,相比于传统的以网格作为热量传输媒介的加热方式,模拟效果更好;其次在流体粒子模型的属性计算中引入粒子效果精度,加快模型计算速度。实验结果验证了该模型具有更好的模拟效果及稳定性。     

基于物理碰撞的边界处理方法

传统的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法在模拟流体时,核函数一致性的局限性导致在边界处产生较大的数值耗散,降低了边界处粒子的密度值及压强值的计算精度,导致流体体积的错误变化,进而影响模拟效果。文章提出一种SPH方法和物理碰撞相耦合的方法,对于非靠近边界的粒子,用SPH方法计算它们的各种属性;对于靠近边界处的粒子,赋予它们静止密度,使用纯粹的物理弹性碰撞来计算其速度和位置。在此过程中,文章给出了一种有效区分靠近边界的粒子和非靠近边界的粒子的方法;此外还加速了Marching Cubes算法。通过对比实验结果发现,该文方法可以准确计算流体的密度及压强,使得流体体积更加地接近精确值。     

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。     

解决SPH方法应力不稳定问题的改进方法

文章研究了光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法中的应力不稳定问题,将改进的核函数和改进的动量方程的离散形式相结合,提出一种能同时改善压应力和拉应力不稳定性的方法。针对应力不稳定产生的原因,即应力不稳定性与应力状态和核函数有关,首先提出了一种改进的核函数来解决流体中的压应力不稳定问题,并将其应用到计算机图形学的流体模拟中,对二维和三维溃坝进行仿真实验,并与其他方法进行比较,结果表明,该方法的稳定性和模拟效率都有明显提高。为了同时改善压应力和拉应力的不稳定性,对动量方程的离散形式进行改进,把拉伸状态下的吸引力转化为排斥力,使得排斥力随粒子间距减小而增大,避免了原先吸引力造成的粒子聚集现象,有效改善了拉应力不稳定性。二维液滴在受到表面张力作用下形变的仿真实验效果验证了文中方法能使液滴粒子分布更均匀,稳定性大大提高。     

Lennard-Jones 纯流体液汽界面的分子动力学模拟

在表面张力长程校正公式的基础上,应用正则系综分子动力学模拟方法较为系统地对Ｌｅｎｎａｒｄ－Ｊｏｎｅｓ（ＬＪ）纯流体的液汽平衡及界面性质进行了模拟研究。在温度Ｔ＊＝ｋＢＴ／ε为０．７５～１．２０范围内,分别计算了７个温度条件下ＬＪ纯流体的汽液相共存平衡密度、密度分布、表面张力和界面厚度。研究结果表明：文中得到的ＬＪ纯流体汽液相平衡密度与采用Ｇｉｂｂｓ系综ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ模拟计算结果基本一致;表面张力的模拟计算值与实验数据符合较好;另外,随着温度的升高,流体的表面张力降低而界面厚度变大。     

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.     

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。     

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。     

单个三维气泡运动的直接数值模拟

采用VOF（Volume—of-Fluid）中的PLIC（Piecewise Linear Interface Calculation）界面重构方法模拟了三维气泡在另一种静止流体中的上升和变形运动;在数值模拟的例子中分别考察了不同黏度和表面张力对气泡在上升过程中的变形及上升速度等的影响．计算结果表明,PLIC界面重构方法可以正确地模拟气泡的变形、破裂等过程．黏性和表面张力在气泡运动过程中的作用可以用Eoetvoes数和Reynolds数来描述．在相同的密度和黏度比的情况下,表面张力越大,则气泡的形状变化越小,上升的速度越快,表面张力起着使气泡保持原状的作用;黏性越小,则气泡在上升过程中射流穿透上表面的时间越早,变形速度越快．     

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。     

分子动力学模拟中涨落对界面特性的影响

提出了一种计算方法,该方法运用(2～5)/1.2rm法则来研究分子涨落现象对汽-液界面层的影响,通过对Lennard-Jones流体CH4的气-液两相系统的分子动力学模拟,得出了均匀相中饱和气体密度、饱和液体密度以及非均匀相中表面张力变化,与传统的统计方法相比,该方法计算非均匀相中表面张力的误差更小,更加节省模拟时间.     

含Ag-乙二醇纳米流体的制备及其导热性能

在室温下采用直接还原法制备了含PVP表面修饰、高负载量的纳米银-乙二醇纳米流体。实验详细比较了各种反应条件对Ag纳米粒子结构、大小、形貌以及乙二醇纳米流体的稳定性、负载量的影响。结果表明:由于PVP对银粒子有良好的表面修饰作用和纳米粒子自身的布朗运动,使得银粒子能够稳定地分散于乙二醇流体中。当PVP含量为12.5 g·L~(-1)时,Ag粒子最大负载量可以达到20.96 g·L~(-1)。同时采用仿制的纳米流体导热系数测试装置测定了上述不同负载量流体的导热系数,结果表明纳米流体比纯乙二醇的导热系数明显提高;当银粒子的体积分数为0.06%时,纳米流体的导热系数提高了36%。     

二维溃坝的数值模拟研究

为了研究溃坝问题中流体的运动和自由液面的演变,针对简化的块状水坍塌进行了数值模拟。其中,流体控制方程通过有限体积法进行离散,方程的对流项和扩散项分别采用了一阶迎风格式和中心差分格式;对压力与速度耦合的离散方程以IDEAL算法进行求解;以流体体积分数法和PLIC方法进行自由液面捕捉和重构;对两相流问题中的表面张力通过连续表面力(CSF)模型进行转化。基于上,分别对有限空间内的二维溃坝和带障碍物溃坝问题进行了数值模拟,对不同时刻的自由液面进行了捕捉并与实验结果进行了对比,证明了所采用方法的精确性。     

含Ag-乙二醇纳米流体的制备及其导热性能研究

本文在室温下采用直接还原法制备了含PVP表面修饰、高负载量的纳米银-乙二醇纳米流体。实验详细比较了各种反应条件对Ag纳米粒子结构、大小、形貌以及乙二醇纳米流体的稳定性、负载量的影响。结果表明：由于PVP对银粒子有良好的表面修饰作用和纳米粒子自身的布朗运动,使得银粒子能够稳定地分散于乙二醇流体中。当PVP含量为12.5 g.L-1时,Ag粒子最大负载量可以达到20.96 g.L-1。同时采用仿制的纳米流体导热系数测试装置测定了上述不同负载量流体的导热系数,结果表明纳米流体比纯乙二醇的导热系数明显提高,当银粒子的体积分数为0.06%时,纳米流体的导热系数提高了36%。     

存在残余液体的微管道中的表面张力驱动流动

许多微流体系统涉及到存在残余液体的微管道中由表面张力驱动的注入流动问题。该文利用非定常N av ier-S tokes方程,采用VOF模型追踪运动界面,以CSF模型考虑表面张力的影响,使用有限体积法对存在不同形态残余液体的微管道中不可压缩流体的表面张力驱动的注入流动进行了数值模拟。结果表明,与不含残余液体的情况相比,管道内存在附着于管壁的液滴时,入口流量下降,但液体的注入效率反而略有提高;而管道内存在封闭液柱时,入口流量明显降低,而且会在管道中形成随液体一同运动的气泡,不利于液体注入。这些结论对于相关微流体系统的设计具有借鉴意义。