基于时驱硬球算法与格子玻尔兹曼方法的颗粒流体系统直接数值模拟

实现了一种直接数值模拟颗粒流体系统的耦合算法, 颗粒间相互作用由时驱硬球算法描述, 而流体的控制方程采用格子玻尔兹曼方法求解, 流固耦合用浸入运动边界法实现.该方法使用欧拉网格求解流场, 拉格朗日网格跟踪颗粒, 避免了非结构化贴体网格方法需要重新划分网格的问题. 通过模拟两个圆形颗粒在黏性流体中的沉降过程, 成功地复现了经典的Drafting-Kissing-Tumbling(DKT)过程, 验证了耦合算法的有效性.     

气固两相交叉射流相间传热的LBE-DEM模拟

采用格子波尔兹曼/离散元(LBE-DEM)耦合方法模拟气固两相交叉射流相间传热,重点考察了流体和颗粒之间的热量双向耦合及其对两相传热过程的影响.流场雷诺数Re=1000,在相同颗粒数目下选取了10,25,50三种Stokes数.研究分析了气固多相交叉射流中气相温度分布,颗粒群分布形态特性以及相间的双向耦合传热特性及其影响因素.研究发现交叉射流两相传热过程在撞击前期和后期分别受两相平均温差和两相换热系数的主导,而其主导因素的转换与颗粒动态响应特性有关.     

气固两相流动中颗粒扩散的转捩现象

不引入任何湍流模型, 采用有限容积方法对三维气固两相湍流射流进行了直接数值模拟, 着重考察湍流结构的转捩行为对不同Stokes数颗粒扩散的影响. 为了得到高精度的结果, 同时降低计算量和存储量, 对气相流体控制方程组的求解采用分步投影算法, 对时间积分采用低存储、三阶精度的Runge-Kutta积分格式; 对颗粒控制方程的求解在拉格朗日框架中进行. 流场的统计结果与相关的实验数据吻合良好, 证实了数值算法的可靠性. 对颗粒扩散的研究发现, 展向涡结构对颗粒扩散的影响比较突出. 而在流场的演化过程中, 观察到颗粒扩散的新行为, 即中、小Stokes数的颗粒在流场中的分布出现了 “转捩”现象.     

多相格子Boltzmann方法及其在相变传热中的应用

经过30余年的发展,格子Boltzmann方法已成为一种非常有效的数值模拟方法.该方法是介于微观分子动力学模拟方法和基于连续介质假设的宏观数值模拟方法之间的一种介观数值模拟方法.与传统数值模拟方法不同,格子Boltzmann方法基于气体动理论,具有清晰的物理背景和粒子图像,能够非常方便地从底层刻画流体内部的相互作用,因而对多相多组分等复杂流体系统的模拟具有很大优势.近年来,该方法被应用到沸腾及冷凝相变传热的研究中,体现出了一定的优势与特色.与VOF, Level Set等界面跟踪或界面捕捉方法相比,格子Boltzmann方法中的气液界面可以自动产生、演化与迁移,无须采用任何界面跟踪或界面捕捉技术.此外,在相变传热的研究中,气泡或液滴可以自动成核,无须布置种子气泡或种子液滴.本文总结了近些年多相格子Boltzmann方法的发展,并结合作者的研究工作,重点评述了伪势多相格子Boltzmann模型的研究进展及其在沸腾与冷凝相变传热中的应用.     

过渡流搅拌槽内固-液悬浮的直接数值模拟

采用格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method),研究了过渡流搅拌槽内颗粒悬浮过程的流体力学特征.模拟中搅拌槽为平底方槽,搅拌桨采用下压式45°四斜叶桨,搅拌雷诺数Re=1334,属于过渡流;颗粒体积分率最高达到8%.本模拟解析了包括颗粒周围和颗粒间流动的搅拌槽内整个流场,从而实现了在颗粒尺度上对颗粒-流体相互作用的研究.同时,本文也研究了体积分率、相位角对液相平均速度、液相湍流动能等流体力学特征值的影响规律.结果表明,随着搅拌槽内颗粒体积固含率的增加,液相平均速度和液相湍流动能均衰减.     

柴油机等径颗粒平面碰撞过程凝并特征

针对后燃期柴油机颗粒物的碰撞过程,结合气溶胶颗粒的受力分析和基于弹性形变力、范德华力的非完全弹性碰撞运动方程,探讨了等径颗粒平面非完全弹性碰撞过程的两个特征-压缩、恢复和影响压缩恢复的主要特征参数.进一步研究了入射角、碰撞频率、压缩距离、恢复系数和凝并效率等特征参数相互之间的关系及其在碰撞过程中的作用.研究结果表明,任意粒径下,随着压缩过程的进行,范德华力均增强;对于相同粒径颗粒,在压缩过程中,弹性形变力始终大于范德华力,且两者差距逐渐增大.颗粒粒径分散性越大,颗粒间碰撞频率越大.15,45 nm颗粒分别与50 nm颗粒碰撞频率的比值约为1.9倍.等粒径颗粒碰撞过程中,初始相对速度保持不变时,入射角增大,压缩距离增大,对心碰撞时,压缩距离最宽;相同入射角下,压缩距离随着初始相对速度的增加而逐渐增大.随着恢复系数的增大,临界速度逐渐减小,凝并效率呈逐渐减小趋势.当恢复系数等于0.026时,凝并效率约为50.05%,能够实现较高效的碰撞和较快地促进颗粒凝并,当恢复系数大于0.063时,凝并效率接近于零,极大部分颗粒碰撞之后发生分离,阻碍了颗粒凝并.     

水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律

选取两种不同粒径分布的天然海砂样品,在相同实验温度及压力条件下合成甲烷水合物.开展水合物降压分解X-CT微观实验,获取不同时刻的沉积物内部构成图像.对X-CT扫描图像进行阈值分割、三维重建及拓扑等效等处理,建立不同粒径含水合物沉积介质不同分解阶段的三维孔隙网络模型,研究水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律及其控制机理.研究表明,甲烷水合物微观分布非均质特征显著,分解过程开始于气-水合物接触的位置,分解初期水合物具有孔隙填充、颗粒胶结等多种赋存模式,而分解后期孔隙中主要赋存颗粒胶结型水合物.随着水合物饱和度的减小,不同粒径含水合物沉积物的平均孔喉半径、孔隙度、绝对渗透率以及两相共渗区宽度均不断增大,配位数、形状因子及束缚水饱和度逐渐减小.受水合物分解动力学行为影响,分解前期沉积物平均孔隙半径缓慢降低,水合物饱和度下降至某一临界值(小于0.1)后,平均孔隙半径和绝对渗透率急剧增大.粒径分布越窄,相同水合物饱和度下沉积物平均孔隙及孔喉半径、孔隙度和绝对渗透率越高,但不同粒径沉积介质配位数和形状因子的变化存在交叉点,表明含水合物沉积物微观孔隙结构特征受粒径分布、水合物微观赋存状态及空间分布的协同影响.     

柴油机排气稀释过程中挥发性纳米颗粒形成和变化特性

建立了描述柴油机排气稀释过程中挥发性纳米颗粒形成和变化的H2SO4-H2O二元均相成核和气溶胶动力学耦合模型.利用该模型模拟计算H2SO4-H2O二元均相成核作用下分子团簇的生成率和团簇粒径等参数,以及分子团簇向挥发性纳米颗粒转化过程的气溶胶动力学作用;并考察了燃料硫含量和实验室内稀释采样条件变化对柴油机排气中挥发性纳米颗粒数浓度粒径分布的影响.研究表明:H2SO4-H2O二元均相成核作用产生大量分子团簇,燃料硫、温度、湿度对分子团簇的生成率和团簇粒径产生显著影响.凝并作用使成核作用产生的分子团簇由单分散系向多分散系转化,形成挥发性纳米颗粒;凝结作用进一步促进颗粒向大粒子方向迁移,排气中碳烟粒子会抑制挥发性纳米颗粒的形成;燃料硫含量和稀释参数(初级通道内混合气稀释比、温/湿度和停留时间)等均显著影响挥发性纳米颗粒的数浓度粒径分布.     

利用LBM-FVM-CA耦合方法模拟管表面上的颗粒沉积与脱离过程

发展了一个包含积灰形状演化、颗粒沉积和脱离机理的数值模型和计算方法,模拟了单排管表面的积灰过程.首先建立了流动的格子Boltzmann方法-有限容积方法(LBM-FVM)耦合的计算模型,给出了通过宏观参数构建多松弛LBM分布函数的重构算子;并结合元胞自动机模型、能量平衡模型以及力和力矩分析,模拟了颗粒的运动、沉积和碰撞过程;其次,针对模拟的时间步长相对于实际积灰时间较短的困难,提出了用于将模拟时间换算到实际时间的比例;然后,具体模拟和分析了不同直径颗粒在不同入口速度下的积灰过程.结果显示,积灰面积随时间呈指数增长并趋近于一个平衡值;在颗粒质量分数一定时,存在一个积灰速率较高的速度范围;颗粒脱离在迎风面和管子正后方较为严重,但在背风面侧面相对缓和;积灰层在整个背风面生长,在迎风面形成锥形,改变了流动并阻止了颗粒的进一步沉积.     

流动聚焦研究进展及其应用

流动聚焦(flow focusing)是一种毛细流动现象, 1998 年被正式提出. 其原理为从毛细管流出 的流体由另一种高速运动的流体驱动, 经小孔聚焦后形成稳定的锥形, 在锥的顶端产生一股微射 流穿过小孔, 射流因不稳定性破碎成单分散性的微滴. 该技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条 件, 可以制备微米量级甚至数百纳米量级的液滴、气泡、颗粒和胶囊等微粒子, 在科技领域和工 程实际中都有重要的应用价值. 本文回顾了流动聚焦技术的研究进展, 包括实验、理论和数值模 拟, 并对其应用进行了简要评述, 最后对流动聚焦的发展趋势做出展望.     

非均质泥石流固液两相运动特征探讨

非均质泥石流是一种固体颗粒级配宽、容重变化大、流速分布不均匀的典型的固液两相流, 广泛分布于我国的西部山区, 表现出独特的固液两相运动特征. 基于非均质泥石流固液两相分界粒径的概念, 以Darcy公式和质量守恒定律为理论基础, 分别推求非均质泥石流固液两相平均流速表达式. 在此基础上, 根据云南省小江流域蒋家沟泥石流模拟实验数据及实测资料, 揭示了非均质泥石流固液两相运动特征. 蒋家沟泥石流实验与实测资料计算分析结果表明, 蒋家沟泥石流以临界容重2.234 t/m³为界限, 当泥石流容重低于、等于和高于该临界值时, 分别出现液相流速大于、等于和小于固相流速的3种情况, 由此可以分别揭示稀性泥石流、均质泥石流和稠性泥石流3种不同类型泥石流的运动特征. 研究结果为构建非均质泥石流动力学奠定了基础, 并对泥石流防治工程规划设计和预测预报泥石流灾害具有重要的现实意义.     

泥石流动力学模型与数值模拟

泥石流是介于崩塌、滑坡等块体运动和山洪水流之间的一种物理过程,既具有土体的结构性,又具有水体的流动性。从物质组成上看,泥石流是一种由水、岩土体和气体组成的多相介质,具有多种内部结构。其中的固相组分颗粒形状极其不规则,尺度跨越范围较大。浆体与固相颗粒以及颗粒间的相互作用非常复杂。因此,完全考虑各种因素建立全描述的泥石流动力学模型比较困难。从描述组成物质和运动的观点来看,目前泥石流的动力学模型可划分为连续介质、离散介质和混合介质模型。基于不同动力学模型的泥石流运动数值模拟,可广泛应用于流量过程反演、危险范围预测、风险评估、防治工程评估等方面;但泥石流本身启动和产汇流机理涉及多门学科,是需要进一步研究的重要课题。同时,泥石流形成过程和运动过程的数值模拟存在着时空尺度上的差异,如何实现两者的耦合求解仍需深入探讨。     

低浓度颗粒流Boltzmann方程的同伦分析方法解

同伦分析方法(homotopy analysis method, HAM)是求解强非线性问题的有力手段. 针对颗粒流的动理学理论中的非线性微分积分方程——?Boltzmann方程, 采用 HAM方法选取局域Maxwell速度分布函数作为初始猜测解, 得到了低浓度颗粒流的Boltzmann方程的一阶近似解, 与传统的Chapman-Enskog方法得到的一阶近似解表达式的结构一致, 初步显示了HAM方法求解Boltzmann方程的有效性, 为一般Boltzmann方程的HAM方法求解奠定了基础.     

耦合Nvidia/AMD两类GPU的格子玻尔兹曼模拟

利用图形处理单元(graphic processing unit, GPU)进行通用计算近年来得到关注, Nvidia和AMD公司已推出了各自的开发环境CUDA和ASC. 很多计算在GPU上的速度远高于目前的CPU. 格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method, LBM)作为一种网格上的粒子方法, 对流动模拟具有良好的内在并行性, 非常适合利用GPU进行大规模并行计算. 本文提出了一种耦合Nvidia和AMD的两类GPU完成LBM凹槽流模拟的算法, 对于两类GPU, 在LBM的D2Q9模型下分别设计了相应的算法和程序, 之后利用消息传递接口(message passing interface, MPI)协议通过多程序多数据流(multi-program multi-data, MPMD)模式使其能够联合计算, 以充分发挥混合GPU集群系统的性能. 通过GPU和CPU程序结果的比较, 证实了GPU计算的正确性和所能带来的显著的加速比, 为建设通用大规模GPU并行计算平台提供了重要参考.     

有限容积法与格子Boltzmann方法耦合模拟传热流动问题

自然界和工程领域中的许多物理现象的发生通常涵盖几个数量级的几何空间及时间范围, 我们将其统称为多尺度物理现象. 在模拟多尺度问题时, 如果仅采用宏观方法, 则会存在一些不足, 如无法预知微小部分的细节以及引入复杂的经验关联式; 如果仅采用介观/微观方法, 则需要消耗大量的计算资源. 构造宏观-介观、宏观-微观、宏观-介观-微观等多种层次上方法的耦合体系, 可以在很大程度上克服这些不足. 构造了宏观有限容积法(FVM)与介观格子Boltzmann方法(LBM)的耦合模型(CFVLBM), 给出了由宏观物理量重构密度分布函数和温度分布函数的两个重构算子, 解决了LBM与宏观方法耦合的关键难题. 选取二维、三维典型传热流动问题对耦合模型进行了考核, 计算结果同基准解符合得很好. 最后将CFVLBM应用于计算多孔介质内的复杂流动问题. 研究表明, 基于文中重构算子的CFVLBM可以准确有效地应用于模拟传热流动问题.     

面铣刀气动噪声数值模拟及不等齿距面铣刀的降噪方法

高速面铣刀气动噪声由离散噪声与对总噪声影响较大的宽带噪声组成. 针对高速面铣刀流场和声场的非定常特点, 采用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)方法对面铣刀周围气流特性进行数值模拟, 分析铣刀容屑槽区域的速度分布. 计算线性欧拉方程(linear eulerequation, LEE)中的声源项确定铣刀表面声源位置及强度. 通过应用基于Lighthill 声学类比的Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)积分变换方程计算获得远场噪声. 针对铣刀表面不同声源产生的气动噪声频谱进行分析, 发现铣刀容屑槽及刀片前刀面是高速面铣刀气动噪声的主要声源. 等距及不等距铣刀噪声频谱分析表明不等齿距布置可改变频谱声能分布, 降低离散噪声的基频峰值,进而可降低铣刀气动总噪声.     

稀薄颗粒气体的运动速度几率分布函数

利用在微重力环境下获得的稀薄颗粒体系长时间(2 h)运动的录像数据, 得到了颗粒气体的非高斯速度几率分布, 分布函数接近负e指数. 应用湍流中的朗之万方程修正形式, 探讨给出颗粒体系速度几率分布函数普适表达式的可能性.     

生物油燃烧与污染物排放特性的数值模拟

应用CFD(computational fluid dynamics)软件FLUENT对实验室自砌小型窑炉装置内生物油的燃烧进行三维数值模拟.获得了炉膛流场、温度场、组分分布、火焰形状及污染物排放的详细信息,揭示了炉膛内部流动、燃烧及传热传质过程的特点.对不同过量空气系数下生物油的燃烧进行数值模拟,结果表明,随着过量空气系数的增加,炉膛内最高温度减小,燃烧区域增大,尾气中CO的浓度减小,但NO的浓度增加.模拟结果与试验数据吻合良好,验证了模型的可靠性,为燃烧工况的优化设计和污染物的控制提供了一定的依据.     

湍流作用下可压缩液体中空化泡的动力学特性

以水为工作介质, 在综合考虑了液体黏性、表面张力、液体压缩性以及湍流作用等因素的情况下, 对孔板水力空化反应器中空化泡动力学行为特性进行了详细数值研究. 详细分析了湍流作用、空化泡初始半径、孔板下游恢复压力、管道直径以及孔板直径与管道直径之比对空化泡运动特性及其所形成的压力脉冲的影响规律, 发现了一些新现象, 如空化泡半径二次生长现象. 研究结果可为水力空化反应器的优化设计以及水力空化技术的实际应用提供一定的理论指导与技术支撑.