基于SPH应力修正算法的液滴撞击超疏水壁面模拟分析

 针对SPH方法中的压应力不稳定问题,提出一种改进的Quintic核函数,相对于传统的“钟形”核函数可以更好地改善SPH模拟过程中粒子的聚集现象。应用改进模型对液滴撞击超疏水壁面过程进行模拟研究,根据撞击后液滴铺展的运动特征,分析了影响壁面摩擦阻力的因素以及摩擦阻力的作用区域。结果表明,当壁面相对浸润直径φ<1时,撞击后液滴铺展受壁面黏度系数υ'的影响不明显,而当φ≥1时,相同条件下υ'越大液滴铺展速度越小,壁面相对浸润直径的最大值φ_max越小,因此φ≥1为撞击后液滴铺展过程中壁面摩擦阻力的主要作用区域;壁面黏度系数υ'值对撞击后液滴铺展时间影响较小,不同υ'条件下液滴铺展达到φ_max的时间相近,在相同壁面条件下液滴铺展受到的摩擦阻力会随着撞击速度v₀的增加而变大,υ'与v₀大致按二次抛物线变化。     

液滴撞击固体壁面研究进展

液滴撞击固体壁面的动力学行为广泛存在于能源化工、机械冶金、航空航天以及工农业生产各个领域,研究液滴撞击固体壁面动态行为,内部流场以及传热传质机理对化工、冷却、喷墨打印等技术领域有重要意义。文章查阅国内外相关的部分文献,对液滴撞击壁面过程动态行为研究从理论、实验和数值模拟方面进行归纳和总结,分别从撞击后铺展、回缩、反弹等动态行为、以及相关的影响因素,如壁面形态结构、润湿性、液滴物性等进行整理分析,就理论、实验和数值模拟重点研究范围进行论述,指出三种研究方法各自存在优缺点,提出针对具体相关领域液滴撞击壁面进一步研究建议和展望。     

双液滴撞击固壁及液膜问题的三维SPH模拟

通过表面力张量的梯度离散合理引入表面张力效应,并以方形液滴的振荡问题为例,验证了表面张力模型的有效性。基于光滑粒子动力学(SPH)方法,对双液滴相继撞击固壁及液膜问题进行了三维数值模拟,并通过与实验结果的比较验证了方法的有效性,分析了液滴间垂直距离对流动过程的影响,精细地捕捉了液滴产生"皇冠"状水花并发生飞溅、不连续液面的流动过程。数值结果表明:SPH方法能够有效而准确地描述三维双液滴撞击固壁及液膜问题的自由面变化特征,SPH方法对处理自由表面大变形问题具有较好的优势。     

基于格子玻尔兹曼方法的双液滴撞击壁面液膜的热特性演化过程

为了研究并排双液滴撞击覆有液膜的高温壁面过程中壁面热流密度分布特征,基于水热耦合双分布函数格子玻尔兹曼伪势模型,探究了液滴间距、撞击速度和液相黏滞系数在不同时刻对壁面瞬时热流密度分布的影响。结果表明：低温液滴的扩散与下潜导致撞击区和中心射流区的壁面与液膜之间的温度梯度上升,引起撞击区和中心射流区壁面热流密度骤增。撞击区传热形式以对流传热为主,静态区受液冠处速度不连续性影响,其传热形式以扩散传热为主。双液滴撞击速度增大导致液滴下潜和扩展程度加深,液膜内部对流传热增强。双液滴间距增加引起双液滴内侧液冠在液膜内扩展空间增大,造成瞬时壁面高热流密度区域面积增加,利于散热。此外,更大的液相黏滞系数增大了液滴撞击液膜过程中的黏滞耗散,降低低温液滴的下潜程度和撞击区的液膜流场对流强度,导致壁面热流密度峰值减小。     

撞击液滴形成的液膜边缘特性

以旋风分离器内液滴撞击筒壁为研究背景,探讨了撞击形成的液膜边缘特性,考察了韦伯数(We)、撞击速度、初始液滴直径对液膜边缘形成的指形液滴和卫星液滴的影响.结果发现:不同We数下,最大液膜直径形成的指形液滴体积分布集中在0.2～0.6,近似于高斯分布;随着We数的增加,大体积卫星液滴出现的几率也随之增大;且卫星液滴的体积随着初始液滴直径和初始撞击速度的增大而增大;另外,在同一铺展过程中,边缘液滴、指形液滴和卫星液滴三者的数量呈依次递减的关系.     

假塑性流体液滴撞击壁面上的铺展的格子Boltzmann模拟

流体液滴在壁面上的铺展与沉积在工业应用中存在广泛应用,研究非牛顿流体特性对液滴铺展的影响具有重要的实际意义。基于相场法建立了非牛顿幂律流体与牛顿流体的两相流格子Boltzmann模型,引入包括接触角影响的边界条件,模拟了假塑性流体在幂律指数（n）0.5~1.0以及韦伯数（We）5~45时液滴撞击壁面的铺展过程。结果表明：相对于牛顿流体,幂律流体的非牛顿特性会抑制液滴的铺展,且n越小,越有利于液滴沉积。此外,韦伯数越大,液滴越快地达到稳定。     

喷淋冷却器内液滴撞击液膜的传热数值模拟

液滴撞击液膜是喷淋冷却过程中的常见现象,利用欧拉多相流模型与连续表面力模型模拟了液滴撞击液膜的传热过程,其中液滴撞击液膜的飞溅规律与实验结果一致.分析了液滴撞击液膜飞溅半径与飞溅高度的变化规律,并进一步分析了撞击速度、液滴直径、液膜深度、壁面温度对液滴-液膜撞击传热量的影响,结果表明增加撞击速度、液滴直径、液膜深度有助于提高喷淋冷却的效果.     

基于SPH方法的球形弹丸撞击薄板研究

基于显示中心差分计算格式,应用光滑粒子流体力学方法(SPH)模拟计算了直径为6.35 mm铝球正撞薄铝板的过程,并将计算结果与闪光X射线照相系统所拍摄的结果相比较。对比研究结果大致得出了球形弹丸内部应力波传播的规律。并定性验证了靶板厚度与球形弹丸变形与破碎间的规律。所得结论为进一步深入研究弹丸破碎以及Whipple防护结构撞击极限取相参数优化提供一定的依据。     

二元柴油液滴碰撞过程数值模拟

为研究发动机喷雾过程中柴油液滴碰撞的物理过程,基于流体体积法(VOF)建立了两相同尺寸柴油液滴碰撞模型,利用现有的试验数据对计算模型的准确性进行了验证.同时,开展了液滴对心及偏心碰撞过程的数值模拟,得到了聚合、分离、破碎3种碰撞结果及其区域分布的We-B图,探讨了碰撞过程中所发生的能量转化机制.结果表明:对心碰撞聚合与...     

基于长程力的SPH方法固壁边界处理

将近场动力学(PD)中的长程力引入光滑粒子流体动力学(SPH)的固壁边界处理模型中,给出一种适合SPH方法边界处理的新方法。通过液柱坍塌、Poiseuille流、水铸造充型仿真和土体崩塌4个算例对该方法的有效性进行验证。结果表明:该方法能很好地解决粒子非物理穿透边界;能客观反映真实的边界作用;对于复杂几何边界和具有材料强度的动力学问题也相当有效。     

三维洪水流动的SPH数值模型

对光滑粒子动力学(SPH)方法进行了改进,提出了高精度的耦合动力学边界处理方法,保证粒子的无穿透条件,通过液面粒子的支持域求和准确施加自由液面条件,准确预测水流的翻卷、破碎效应。建立洪水流动的简化模型,分析防波堤对洪水的阻碍作用,准确预测洪水流动中各种三维特征。应用SPH模型对三维圆柱形水体坍塌过程进行模拟,结果表明,SPH数值模拟结果与实验结果吻合很好,从而验证了SPH模型模拟剧烈自由液面流动的有效性。     

基于SPH方法的阶梯流数值模型

针对阶梯流在实验研究方面的不足,为了更好地研究复杂阶梯流动力学规律,利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)构建了阶梯流数值计算模型。该文模型对SPH方法的一种固壁边界处理方法进行了改进,改进的边界处理方法能对固壁边界施加的斥力进行动态修正从而减少边界扰动,还引入了动态加入水粒子的水泵模型来模拟阶梯流实验中的水泵注水过程。以验证模型可靠性,基于建立的模型对Ishigaki实验场景进行了模拟分析。结果表明:定性上,模拟水流呈现出较好的阶梯流流态;定量上,模拟结果与Ishigaki实验数据整体上比较吻合。     

SPH和FEM耦合方法分析机翼前缘鸟撞的响应问题

鸟体的强度远比铝合金小,鸟体在撞击过程中表现强烈的流体流动性.介绍利用PAM-CRASH软件,采用SPH(Smooth Particle Hydrodynamics)和FEM耦合技术分析鸟撞机翼前缘问题.通过将鸟体离散成光滑粒子(SPH)单元,并且采用铆钉连接单元简化蒙皮和肋板的铆钉连接,准确分析了鸟撞动态特性.SPH方法在鸟撞仿真中,克服了网格稳定性问题,并能有效分析鸟体的飞散现象.     

珊瑚礁坪地形上波生流的流场特性分析

将珊瑚礁坪地形简化为向海坡为1∶1的陡坡,基于SPH方法,建立了波浪在珊瑚礁坪地形上传播的数值波浪水槽,模拟规则波浪在珊瑚礁坪地形上的传播变化过程,分析珊瑚礁坪附近的流场特性,并将数值模拟结果与实验室观测结果进行对比。结果表明,在波浪传播过程中由于水深变浅,波浪发生变形和破碎,在珊瑚礁坪顶周围的水体中将产生一个与波浪传播方向相同的流动。     

立体表面展开的特征分解法

文章根据将一个空间立体模型展开成二维平面图形时,把立体的表面分解成两大类特征表面——凹面和凸面。并根据此特征,将组成立体的所有表面全部识别出来,而且可以利用计算机绘图的方法,使整个展开过程形象化     

SPH方法在溃坝数值模拟中的应用

光滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种纯拉格朗日无网格方法,适用于模拟波浪破碎、高速水流、高速冲击碰撞等瞬时极大变形的问题。介绍了SPH方法的基本原理、核函数及离散格式的控制方程、边界处理方法等,建立了数值水槽模型,验证了模型的有效性。应用SPH方法模拟了二维溃坝问题,考虑了添加无孔障碍物和有孔障碍物的2种情形,将模拟得到的结果进行对比分析。结果表明,SPH方法能够很好地捕捉流体自由面变形、飞溅及融合现象,在一定程度上有孔障碍物有更好的消能效果。     

基于SPH方法高速射流冲刷的模拟

针对有限单元法在处理大变形中的网格重构、网格畸变等问题的困难,采用SPH方法模拟高速射流冲刷过程。SPH方法是一种纯拉格朗日型的无网格粒子法,能够有效地避免大变形中的各种网格问题。采用该种方法主要模拟不同工况下的冲坑发展情况,冲刷对象选LS-DYNA中的MAT147材料模型。计算结果表明采用SPH方法可以形象、直观地反映高速射流冲刷的过程,并且能够清楚地描述粒子速度场和砂床内部压力场的演变,所得结果可以为高速淹没射流的研究提供参考。     

基于SPH方法的二维矩形舱液体晃荡数值研究

储液舱内液体晃荡是当外激激励频率与容器内部液体自由液面的固有频率接近时,液体产生的剧烈共振运动.采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,在二维矩形舱低载液率横荡和横摇激励下,自由液面共振频率附近4个激励频率处开展数值研究.对比数值和对应实验中全局自由液面波形和冲击压力时程发现,SPH方法可以很好地模拟液体晃荡时的波形,如水跃、破碎波等自由液面的大变形运动.此外,该方法可用于模拟和评估非共振区域晃荡荷载的特性.建议采用两相流来模拟共振频率下液体剧烈的晃荡运动.