基于IS–FEM的颗粒曳力系数计算与试验验证

基于浸没光滑有限元模型（immersed smooth finite element model,IS–FEM）,计算球形与非球形颗粒曳力系数。设计颗粒曳力图像测量试验,验证IS–FEM模拟精度。颗粒相的运动行为基于连续介质理论的光滑有限元法求解;流体控制方程通过特征分解的半隐式有限元法求解;颗粒与流体相通过非贴体网格交换数据。结果表明,球形颗粒流场特征对称分布,非球形颗粒稳定沉降时长轴与重力方向垂直。不同雷诺数下球形颗粒的曳力系数计算值与Stokes曳力系数一致,非球形颗粒曳力系数高于等效球形颗粒,IS–FEM计算值与沉降试验吻合良好。     

双颗粒沉降的动力学分析

采用格子Boltzmann-虚拟区域方法对雷诺数范围为50≤Re≤200的双颗粒自由沉降进行了直接数值模拟。首先,研究发现双颗粒最终沉降的位置分别在通道的1/4和3/4位置附近,且与颗粒的初始间距、雷诺数以及通道宽度无关。其次,重点研究了颗粒沉降过程中所受的侧向力(与沉降方向垂直),首次揭示了侧向力的振动频率与雷诺数呈二次关系,且单颗粒的结果始终小于双颗粒的结果;研究还发现侧向力的振动频率与通道宽度近似呈幂律函数关系,且幂律指数与雷诺数有关,雷诺数越大,幂律指数的绝对值越小。最后还研究了雷诺数及通道宽度对侧向力振动振幅的影响。     

密度不同的颗粒在流体中的沉降特性

采用格子Boltzmann方法(LBM)对雷诺数范围为5≤Re≤12的双颗粒沉降进行了直接数值模拟研究,主要关注颗粒之间的密度差异k对其周期性振动的影响。根据雷诺数颗粒沉降特性可以分成三个阶段,即当Re较小时,颗粒的振动幅度随k的增大而减小,当Re较大时则正好相反,介于两者之间存在一个临界雷诺数,在此雷诺数附近,颗粒的沉降同时具有以上两种特征。同时还研究了两个颗粒的稳定沉降结构以及重颗粒摆脱轻颗粒的条件。     

椭圆颗粒在剪切流中旋转特性的数值研究

研究颗粒在流体剪切作用下的运动特性是理解和预测颗粒悬浮流流动行为的关键.当流体的惯性不能忽略时,颗粒的运动往往变得非常复杂.本文采用格子Boltzmann方法对中等雷诺数下椭圆颗粒在剪切流中的旋转运动进行了模拟.首先,研究了雷诺数(0Re 170)的影响,结果表明当雷诺数低于临界值时,颗粒以周期性的方式旋转,角速度最小时对应的长轴方向随着雷诺数的增大而逐渐远离水平方向,而且这一倾角与雷诺数呈分段线性关系;当雷诺数大于临界值时,椭圆形颗粒最终保持静止状态,且静止时的转角与雷诺数呈幂函数关系,雷诺数越大,转角越小,椭圆的长轴越远离水平位置.其次,研究了椭圆颗粒的长短轴之比α(1α10)的影响,结果表明颗粒旋转的周期与α呈幂函数关系,α越大,颗粒旋转周期越小.此外,当α超过临界值时,颗粒也在水平位置附近保持静止状态,此时的转角与α也呈幂函数关系,α越大,转角越小.研究还发现,当雷诺数较大时椭圆颗粒在旋转过程中会产生过冲现象.     

多颗粒在牛顿流体中沉降的模拟研究

采用格子Boltzmann-虚拟区域方法对多颗粒在牛顿流体中沉降的过程进行了直接数值模拟,颗粒之间的碰撞采用弹性力模型。考察了颗粒初始间距、雷诺数对颗粒沉降形态及沉降速度等的影响。结果表明,奇数与偶数颗粒群的沉降形态及沉降速度差异较大。对于奇数颗粒群(5个),当雷诺数较低时颗粒群呈"凹"形沉降,而当雷诺数增大时中间颗粒会脱离颗粒群,剩下的颗粒群或呈"凹"形或呈"凸"形,这与初始间距有关,文献中仅获得雷诺数较低时的情况。对于偶数颗粒群(6个),当雷诺数较小时呈"凸"形沉降,而当雷诺数增大时颗粒会发生"DKT(DriftingKissing-Tumbling)"现象,且当初始间距增大时发生"DKT"的对象不再是靠近壁面的颗粒对,已有文献中没有观察到这一现象。     

明渠层流近床面颗粒拖曳力研究

泥沙颗粒受到的拖曳力是泥沙运动的主要驱动力,而当前应用于计算流体力学-离散颗粒法(CFD-DPM)耦合模型进行水沙运动模拟的泥沙颗粒拖曳力公式均没有考虑明渠流底床边壁作用的影响。求解不可压缩Navier-Stokes方程,对明渠层流不同雷诺数条件下床面附近不同高度处颗粒所受拖曳力进行了模拟,根据模拟结果变化规律,提出了综合考虑床面和水流惯性对标准拖曳力影响的修正拖曳力计算公式。与常用的单颗粒标准拖曳力公式和考虑遮蔽效应的多颗粒拖曳力公式相比,采用本文修正公式得到的水沙作用力更接近高精度数值解,应用于CFD-DPM输沙模拟获得的输沙结果与输沙率公式结果一致,应用分析表明输沙模拟应当采用粗糙底床边界。     

旋流场中PP单球颗粒力学行为实验测试分析

研究PP(Polypropylene)球形颗粒在旋流场中的力学行为,需要一个比较理想的、稳定的旋流场,为此采用了特殊尺寸的实验转鼓。根据PP球形颗粒在这种强制旋流场中的实验现象、测试数据和颗粒受力平衡分析可知:PP颗粒在雷诺数为180～230范围内的强制旋流场中达到稳定运动状态时,几乎静止在中心水平线附近的某一点,只有颗粒的自转运动;且转鼓转速越高,颗粒的质心位置越靠近旋转中心。依据切向受力平衡条件,利用现有的曳力公式对实验数据进行处理,发现颗粒不能达到受力平衡,且最大误差超过22%。为此,利用实验数据拟合方法,得到了旋流场中颗粒曳力系数的新经验公式,其受力平衡误差均小于0.5%。依据径向受力平衡条件,以径向压力梯度力、附加质量力、浮力与重力之差在径向上的分力之和为基准,与低雷诺数下的Saffman升力和Magnus升力的理论计算结果之和相比较,发现二者也不能达到力平衡条件,最大误差超过了55%。本文根据球形颗粒在旋流场中的升力特征,通过直观的力学分析和量纲分析,定义了颗粒旋流场升力概念,导出了相应的升力系数公式;并利用实验数据拟合得到了升力系数与颗粒雷诺数的经验公式;利用经验公式处理实验数据,其力平衡误差不超过7%。     

颗粒在黏弹性流体扩张和收缩流中沉降的格子Boltzmann模拟分析

对于Oldroyd-B型黏弹性流体,本文应用格子Boltzmann方法(LBM),实现了流体在二维1:3扩张流道及3:1收缩流道中流动的数值模拟,获得了黏弹性流体在扩张和收缩流道中的流场分布．结合颗粒的受力和运动规则,基于点源颗粒模型,数值分析了颗粒在扩张流和收缩流中的沉降过程和特征,讨论了颗粒相对质量和起始位置以及雷诺数Re和威森伯格数Wi对颗粒沉降特征的影响．结果表明,颗粒相对质量和起始位置以及Re对颗粒沉降轨迹和落点影响较大,而Wi的影响则较小．     

多相流局部混合型质点网格法

提出模拟多相流的局部混合型质点网格法,该方法能稳定地模拟高浓度流体颗粒两相 流. 在每一个颗粒团尺度的欧拉网格下(本文称之为欧拉微元),基于Lagrangian 追踪原理,可直接估计体积内颗粒的总量,从而准确求出欧拉微元和控制容积内颗粒的 浓度(即颗粒在容积内的体积含量). 同时,假设在新的时间步下,颗粒在欧拉微元里充分 混合,形成新颗粒团. 作者对竖直和倾斜容器中单粒径颗粒沉降和竖直容器中双粒径颗粒双 峰悬浮液沉降过程进行了计算,结果与实测数据相符.     

表面活性剂流体弹性应力对颗粒沉降的影响

颗粒在粘弹性表面活性剂流体中的沉降问题是复杂固液两相流研究的基础问题。采用实验和数值模拟的方法研究了单颗粒在粘弹性表面活性剂流体中的沉降过程。实验结果表明,粘弹性表面活性剂流体的粘弹性会引起颗粒的终端速度随时间产生波动。Giesekus本构方程可以描述颗粒在表面活性剂流体中沉降的非线性剪切变稀行为和弹性导致的拉伸变形。颗粒在粘弹性表面活性剂流体中沉降时其尾部会出现负尾迹现象,负尾迹区随着松弛时间的增大向下游延伸,表征流体弹性的松弛时间越大,负尾迹区越长。颗粒表面剪切速率大于临界剪切速率时,负尾迹的出现使颗粒在粘弹性表面活性剂流体中沉降所受曳力减小,沉降速度增加;颗粒表面剪切速率小于临界剪切速率时,粘弹性表面活性剂流体负尾迹区的拉伸效应与颗粒表面的弹性应力的共同作用,导致颗粒终端速度随着松弛时间的增加先增大后减小。     

Boundary-enhanced sedimentation due to settling convection

Sedimentation rates are significantly enhanced when the process occurs in containers of certain shapes or orientations. For example, sedimentation in a conical vessel or a tilted tube may be several times faster than sedimentation in a vertical tube of the same height. This enhancement results from a naturally occurring convection.

Monodisperse particles were observed during settling from a viscous, incompressible, and Newtonian fluid contained beneath an upward-pointing cone. At particle concentrations of about 0.05 per cent by volume, convective velocities reach ten times the particle settling velocity, and sedimentation is complete in 40 per cent of the time necessary in a vertical tube.

Continuum fluid mechanics successfully models this settling convection. The mechanism is particle momentum transfer to fluid. The model requires numerical solution but its functionality can be investigated in terms of dimensionless parameters.     

导电流体热对流中磁场的致稳作用

本文导出了在磁场作用下导电流体热对流流动的方程组及其定解条件,用数值方法模拟了由磁场控制的单晶生长热对流问题,计算结果说明磁场可以有效地抑制流动在壁面处的分离、单胞对流变为多胞对流以及速度和温度的振荡等热不稳定现象,说明了磁场对不稳定热对流有明显的致稳作用。     

含水层热量输运中自然热对流和水-岩热交换作用的研究

本文对含水层热量输运过程中存在的自然热对流和水-岩热交换作用进行了深入研究, 目的是为了弄清两种作用对热量输运的影响。首先针对普通水流方程和热量输运方程的局限性, 给出了能够描述这两种作用的新的数学方程, 并通过建立一个非线性三维含水层热量输运模型加以实现。然后利用上海第二承压含水层的群井储能试验资料, 根据不同的条件进行计算。计算结果与实测数据的对比分析表明, 自然热对流通常对含水层的热量输运有明显作用, 定量研究时不应忽略；水-岩热交换作用持续时间短, 对整个热量输运过程影响较小。     

Steady suspension flows into two-dimensional horizontal and inclined channels

In this study a model which was developed previously is used to theoretically investigate the steady flow of a particulate suspension into two-dimensional horizontal and inclined channels. The continuity equation for the fluid and the simplified two-dimensional Navier-Stokes equations are then solved together with a particle concentration equation. This latter equation is formulated by considering the balance between the particle flux due to gravity with the corresponding particle fluxes due to convection and shear-induced diffusion. The resulting coupled system of equations is solved numerically using a specialised finite-difference method. It is found, for the parameter range for flows of proppants in hydraulic fractures, that when the suspension enters the channel with a uniform velocity profile it almost instantaneously becomes parabolic. In addition, the effects of particle sedimentation are most dominant in the entrance region, but further downstream such effects are balanced as shear-induced particle diffusion becomes more important. It is also shown that the suspension flow depends critically on the choice of the parameters used, e.g. the ratio of the particle radius to the height of the channel.     

格子Boltzmann模型的改进与流体力学方程

流体的流动可以看成是分子以上水平的粒子基本运动组合而成,任何一个粒子系统的Hamiltonian都是由动能和势能这两部分所组成.借助于Hamiltonian建立了微观粒子和宏观流体之间的能量守恒准则,发展了一个适合于热流场数值模拟的格子Boltzmann模型.从该模型可以还原出宏观的流体力学方程,所得动量方程的黏性输运项除了具有Navier-Stokes黏性力的特征外还与非定常的、非线性的动量通量和非定常的内能相关.用该模型对Benard热对流进行了数值模拟,很好地再现了Benard cell,并且克服了热格子Boltzmann模型数值稳定性差的不足.     

浸没边界-简化热格子Boltzmann方法研究及其应用

针对流固耦合传热问题,本文提出了一种基于浸没边界-简化热格子玻尔兹曼方法(immersed boundary method-simplified thermal lattice Boltzmann method,IB-STLBM)的耦合模型.不同于传统的格子玻尔兹曼方法使用分布函数演化流场和温度场,简化热格子玻尔兹曼方法(simplified thermal lattice Boltzmann method,STLBM)的演化过程不需要依赖分布函数,只涉及平衡态分布函数和非平衡态分布函数,能够直接演化宏观量,极大减小了计算过程中所占用的虚拟内存,简化了边界条件的实现方式,同时具有较高的稳定性.传统的浸没边界法对流场的计算采用欧拉网格,对固体边界采用拉格朗日网格,认为固体边界是对流场产生某种体积力.在应用浸没边界法时,汲取介观的思想,把固体的介入看作是对流场的干扰,打破了固体附近流体介观微团颗粒原始的平衡状态,这种干扰可以看作是在耦合边界上产生的一个非平衡项,可用非平衡态分布函数来表示.基于此,在模型中浸没边界法与简化热格子玻尔兹曼方法更紧密联系在一起,更大程度发挥二者的优点,整个计算过程更加简单直观,符合物理特性.通过对热圆柱绕流和内含热颗粒的封闭方腔自然对流问题的模拟以及对其结果的分析,验证了该算法在求解流固耦合传热问题的有效性和可行性.      

地幔对流模拟实验

模拟实验是当前地幔对流研究中的一个重要手段,一个重要组成部分。本文着重介绍近年来关于地幔热对流模拟实验研究发展概况。从相似参数出发,讨论了实验装置,测试手段,并对实验结果和今后发展趋势作了评述。      

微重力燃烧研究进展

认识燃烧过程是安全、高效、洁净地利用能源的基础. 但是, 常重力条件下的浮力对流和重力沉降使得燃烧现象变得复杂. 而微重力条件下这些影响几乎消失, 这简化了对燃烧的研究. 在加深对地面燃烧过程和载人航天器火灾安全问题的认识的推动下, 经过近半个世纪特别是最近10多年的发展, 微重力燃烧研究已经涵盖了预混气体、气体扩散、液滴、颗粒和粉尘燃烧、燃料表面的火焰传播等燃烧学科的各个领域. 研究中实现了球对称液滴燃烧、不受沉降影响的粉尘燃烧、静止或低速对流环境中的燃烧, 观察到了火球、自熄灭火焰等现象,阐明了碳黑形成中的热泳力效应、可燃极限与火焰稳定性等机理. 加深了对燃烧现象,特别是对辐射效应的理解: 在预混气体、气体扩散、液滴等多种火焰中, 除了停留时间过短引起的吹熄极限外, 还存在辐射热损失过大引起的冷熄极限, 后者只能在微重力条件下观测到. 部分研究成果已经进入教材. 而火焰在微重力下不同于常重力下的现象, 对载人航天器火灾安全具有重要意义. 考虑到我国的现实情况和国内外的研究现状, 建议将煤炭颗粒和粉尘的燃烧、与碳黑相关的机理、辐射效应、化学动力学等作为我国微重力燃烧的主要研究方向.      

The influence of the continuous phase Pe numbers on thermal wake phenomenon

The reverse of the transfer direction in the unsteady conjugate heat transfer between a spherical particle and a surrounding fluid flow has been analysed. The aspect this work is focused on is the influence of the continuous phase convection on the occurrence and development of this phenomenon. The energy equations are solved by the ADI finite difference method. The range of the Pe numbers investigated is between 0 and 10. The ratios of the thermal conductivity and volume heat capacity between the particle and its ambient flow belong to the interval 0.01–100. It was found that, in creeping flow, the thermal wake occurs at Pe=0.690·10⁻³. Increasing the Pe number up to 1 the dimension of thermal wake increases. For Pe>1, the increase in Pe decreases thermal wake. Received on 13 January 1998