Oldroyd-B黏弹性液滴碰撞过程的数值模拟

复杂的流变特性使凝胶推进剂的雾化过程存在一定困难,这制约了它的发展.聚合物胶凝剂的加入使凝胶推进剂具有黏弹性,从而在雾化时会产生黏弹性液滴,因此为了进一步认识凝胶推进剂的雾化机理、提高凝胶推进剂的雾化性能,对黏弹性液滴的碰撞行为进行数值模拟研究.针对凝胶推进剂雾化过程中出现的液滴撞击现象,考虑流体具有的黏弹性效应,采用...     

基于表面力模型的液滴冲击弹性基底SPH模拟

采用光滑粒子动力学SPH方法建立液滴冲击弹性基底的流固耦合数值模型,给出描述粘性流体和弹性固体运动的SPH离散方程和数值处理格式,引入人工耗散项来抑制标准SPH方法的数值震荡。为模拟液滴的表面张力效应,通过精确检测边界粒子,采用拉格朗日插值方法计算表面法向量和曲率,结合界面理论中的连续表面力CSF方法,建立了适用于自由表面液滴的表面力模型,方形液滴变形的模拟结果与拉普拉斯理论解吻合较好。随后,采用SPH流固耦合模型模拟1.0 mm直径水滴以不同速度(0.2 m/s～3.0 m/s)冲击两种薄板型基底,分析了基底弹性变形对液滴铺展、收缩以及回弹行为的影响。     

Oldroyd-B黏弹性液滴弹跳行为的改进SPH模拟

基于光滑粒子流体动力学SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法对Oldroyd-B黏弹性液滴撞击固壁面产生的弹跳行为进行了模拟与分析。首先,为了解决SPH模拟黏弹性自由表面流出现的张力不稳定性问题,联合粒子迁移技术提出了一种改进SPH方法。然后,对Oldroyd-B黏弹性液滴撞击固壁面产生的铺展行为进行了改进SPH模拟,与文献结果的比较验证了方法的有效性。最后,通过降低Reynolds数捕捉到了液滴的弹跳行为;并在此基础上,分析了液滴黏度比、Weissenberg数和Reynolds数对液滴弹跳行为的影响。结果表明,改进SPH方法可有效地模拟黏弹性自由表面流问题;液滴黏度比、Weissenberg数和Reynolds数对液滴最大回弹高度均有显著的影响。     

黏弹性液滴撞击超疏水表面的反弹行为研究

水滴撞击超疏水表面后通常会发生完全反弹. 大量研究表明, 通过在液滴中添加少量聚合物可有效抑制水滴的撞击反弹行为. 尽管该方法已被广泛应用于工农业生产中, 但对黏弹性液滴撞击反弹行为的抑制机理认识仍不够全面. 采用高速摄影技术, 开展了聚氧化乙烯(PEO)水溶液液滴撞击不同微纳复合结构超疏水表面的实验研究. 研究结果表明: 添加高分子可增强流体的黏弹性及其与表面的黏附作用, 因而完全反弹行为仅发生在低PEO浓度液滴的撞击实验中, 且随着超疏水表面微结构间距的增大, 发生完全反弹的上限和下限韦伯数阈值均减小. 在低韦伯数反弹区域, 撞击液滴始终处在微结构顶部, 因而接触时间随韦伯数的增加而减小, 这与平整超疏水表面上的现象相似; 在高韦伯数反弹区域, 液体会部分浸润微结构表面, 因而接触时间将随韦伯数的增加而增加. 此外, 所有反弹液滴的恢复系数随韦伯数的增加呈线性下降趋势, 且下降速率随微结构间距的增大而减缓. 基于界面力学和能量转换分析, 对实验中观测到的黏弹性液滴撞击反弹动力学行为给予了定性解释.     

黏弹性液滴热毛细迁移的对流不稳定

液滴在温度分布不均的固壁面上产生的热毛细迁移广泛存在于微流控、喷墨印刷等应用中, 对其流动进行稳定性分析对液滴迁移的精准控制具有重要意义. 本文采用线性稳定性理论研究了附壁黏弹性液滴在热毛细迁移中的对流不稳定性, 得到了不同Prandtl数($Pr$)下的临界Marangoni数($Ma_{rm c})$与弹性数的函数关系, 并分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 流体弹性激发了更多不稳定模态, 小$Pr$的临界模态为斜波和流向波, 而中高$Pr$的临界模态为斜波和展向稳态模态. 强弹性使得$Ma_{rm c}$显著下降, 而弱弹性略微增强了流动稳定性. 在中$Pr$下, $Ma_{rm c}$随$Pr$的增大而增大. 对于斜波模态, 扰动温度的振幅可存在于流场中间区域, 而其他两种模态的温度振幅只存在于自由表面上, 并且在高$Pr$下的流线分布几乎是对称的. 能量分析表明: 随着弹性数增大, 基本流做功由正变负; 在小$Pr$中, 扰动应力做功既可能耗散能量又可能提供能量; 在高$Pr$中, 基本流做功可忽略不计. 对于同向流向波, 扰动速度和扰动应力做功在垂直方向上均存在多次振荡. 将液滴迁移与热毛细液层进行对比发现, 由于基本流和边界条件的不同, 两者在临界模态和扰动流场中均存在较大差异.     

黏弹流体挤出胀大的数值模拟研究进展

主要介绍了黏弹流体挤出胀大的数值模拟研究进展.给出了黏弹流体挤出胀大的数学模型,回顾了近20多年以来挤出胀大的主要数值模拟研究工作,然后对主要模拟方法的计算过程、方法特点和形成的结果进行了一定的总结.最后提出了作者对挤出胀大研究的一些看法,包括目前研究中存在的问题和相关研究的发展趋势.      

微流道内椭圆粒子黏弹性聚焦数值模拟研究

黏弹性聚焦技术借助微尺度黏弹性流体的惯性和弹性耦合效应,能够实现生物粒子在流道中心的单一位置聚焦排列,被认为是未来生物粒子计数以及检测的理想预处理单元,因而引起了广泛的关注．自然界中的生物粒子往往是非球形的,故而研究不同形状粒子在黏弹性流体中的迁移特性具有十分重要的价值．本文通过格子玻尔兹曼方法耦合浸入边界法,对椭球粒子在直流道内黏弹性流体中的聚焦行为进行了系统的数值模拟研究．结果表明,面积相同但长径比不同的椭圆粒子在黏弹性流体中有不同的旋转周期与迁移速度．长径比更大的粒子旋转周期更长,且长径比大于3.5 的粒子甚至不再有明显的旋转．长径比更大的粒子上下两侧的黏弹性力分布更加平缓,受到指向流道中心的弹性力更小,使得粒子横向迁移速度更慢从而导致了长径比不同的椭圆粒子聚焦至流道中心所需时间的差异．此外,Weissenberg 数Wi 的增加同样能够减弱粒子的旋转,使得长径比稍小的粒子也能和长径比为1.0 的圆形粒子产生明显的分离．上述数值模拟的结论,为不同长径比粒子在黏弹性流体中的聚焦与分选应用提供了重要的理论指导．     

黏弹性流体纯弹性不稳定现象研究综述

近年来粘弹性流体流动的弹性不稳定性现象引起了越来越多学者的关注与研究,与牛顿流体惯性不稳定现象不同,这种现象是由粘弹性流体流动中的弹性应力和粘性力之间相互作用,使得在较低的雷诺数下即可产生复杂的流动分岔不稳定现象。当流动中的弹性数（表现为 Deborah 数 De 与Reynolds 数Re 的比值,其中 De 数定义为粘弹性流体的松弛时间和流动的特征时间的比值,Re 数表征流动中惯性力与粘性力之比）较大时,在 Re<相似文献   

基于ANSYS二次开发进行黏弹性结构动力学分析

弹性-黏弹性复合结构目前在结构减振方面应用很广泛,但是现有的有限元分析软件系统尚不能有效地计算这种复合结构．因此对ANSYS进行二次开发,利用ANSYS进行前处理与建模,再利用外挂程序进行模态计算,最后将结果返回ANSYS进行后处理．将理论计算结果与实验结果进行比较,说明这种方法是可行的,计算精度满足要求．在此基础上,还对一体化有限元模型进行了修正,也取得了令人满意的结果．     

振荡剪切力作用下的电流变流体黏弹性研究

利用HAAKE RS600流变仪对电流变体进行了强制振荡实验研究,得到了流体在不同剪切应力幅和振荡频率下,电流变体储能模量、损耗模量、损耗因子随剪切应力和剪切频率的变化规律.     

THE SIMULATION OF SOME MODEL VISCOELASTIC EXTENSIONAL FLOWS

The numerical simulation of three model viscoelastic extensional flows is considered: sink flow, model draw-down and conical section draw-down. A transient finite element scheme with a pressure correction method is employed to analyse the numerical treatment of such problems for Oldroyd- Band Phan-Thien/Tanner constitutive models. Both decoupled and coupled formulations are compared for these highly convective flows and effective mechanisms are proposed for removing numerical oscillations in the temporally developing solution. In pure viscoelastic extensional flow from an initial stress-free state, the maximum stress level attained decreases with increase in material relaxation time. When this is followed by stress relaxation, as in conical section draw-down, increasing the relaxation time inhibits stress decay.     

材料非线性粘弹性本构关系的神经网络模拟

对Green-Rivlin非线性粘弹本构方程给出了用一个三层时延前馈神经网络表示的等价关系,从而利用该网络可以求解G-R方程中的各阶核函数,并给出了根据有机玻璃的一组实验数据计算核函数的应用实例.由此指出神经网络方法可广泛应用于材料本构关系的研究.     

AN ALGORITHM FOR SIMULATION OF STEADY FREE SURFACE FLOWS

An algorithm to simulate steady, viscous free surface flows is presented in this paper. A Picard-type approach wherein the flow and free surface updates are performed alternately is utilized to iterate for a solution. The procedure is intended for large-scale two- or three-dimensional problems. A surface-intrinsic co-ordinate system which facilities representation of general free surface shapes is used. Using a Galerkin finite element method (GFEM), two free surface updates, namely kinematic and normal stress updates are formulated. It is shown that the effects of surface tension, surface tension gradients and imposition of contact angles can be simulated elegantly within the framework of the GFEM. A novel feature of the updates is that the deformations are sought in a direction normal to the current iterate free surface shape, with the result that the method is ideally suited when used in conjunction with an automatic mesh generator. With the normal stress update a volume constraint can also be imposed. A segregated method is utilized to solve iteratively one degree of freedom at a time for the solution of the flow variables. As a result, the memory and disc space requirements are minimal. Sample problems in extrusion, coating and crystal growth are presented to clearly illustrate the convergence behaviour and accuracy of the algorithm.     

STUDY OF NUMERICAL AND PHYSICAL FRACTURE WITH SPH METHOD

Two kinds of fractures can be observed in the SPH （smoothed particle hydrodynamics） simulations, which are the physical fracture and the numerical fracture. The physical one exists in reality, while the numerical one is fictitious. This paper presents the effects of both fractures and proposes a simple adding particle technique to avoid the numerical fracture. The real physical fracture is then figured out by using an applicable fracture criterion. Firstly, the effect of the numerical fracture on the computational accuracy is investigated by introducing the artificial fracture in a model of wave propagation. Secondly, a simple adding particle technique is proposed and validated by a three dimensional bending test. Finally, the experiments of penetration on the skin of aircrafts are simulated by both the initial SPH method and the improved method with the adding particle technique. The results show that the improved SPH method can describe the physical fracture very well with better accuracy.     

FINITE ELEMENT MODELLING OF FREE SURFACE VISCOELASTIC FLOWS WITH PARTICULAR APPLICATION TO RUBBER MIXING

Internal mixers are used extensively in industry for mixing the components of rubber compounds. In these operations, in order to achieve effective mixing, the mixer chamber is always partially filled. This inevitably results in the appearance of multiple free surfaces in flow fields inside rubber mixer chambers. Mathematical modelling of such a flow regime is not a simple task and requires a great deal of effort. Traditional free surface flow-modelling techniques, which are mainly based on the use of volume-of-fluid or pseudo-density approaches in an Eulerian framework, are not flexible enough to cope with this problem. In this paper we describe a new method for the numerical modelling of free surface flows. In this method the pseudo-density approach is extended to a special Lagrangian framework along the trajectories of the fluid particles. We show that the developed scheme can very effectively simulate viscoelastic free surface flows encountered in rubber-mixing processes.     

NUMERICAL STABILITY ANALYSIS FOR FREE SURFACE FLOWS

A systematic methodology of numerical stability is presented here in the study of numerical properties of mixed Eulerian– Lagrangian schemes for the numerical simulation of non-linear free surface flows. Two different numerical schemes, i.e. a source–doublet panel method and a desingularized method, are investigated. The present work provides theoretical foundations and applications for numerical stability analysis theory. The matrix stability method has been developed to obtain the spectral radii and normal modes associated with free surface discretization. Some examples considered illustrate the usefulness of this analysis. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd. Int. j. numer. methods fluids 24: 893–912, 1997.     

用PSM模型模拟聚合物熔体轴对称收缩流动

采用模拟黏弹流体挤出胀大的方法,计算了IUPAC-LDPE熔体经过4：1轴对称收缩流道的流动．计算的相对涡强度、入口校正和献中的结果基本一致,给出的流场也显示出计算结果是合理的．表明该方法能够适用于用积分型PSM模型表征的黏弹流体在收缩流道内的流动模拟．     

k-D-a-B 模型和 Richtmyer-Meshkov 不稳定性的数值模拟

给出一个适用于流体力学数值模拟的湍流混合模型。由于引入湍流质量通量和密度脉动关联量的演化方程，它比一般的ｋ－ε模型能更准确地描述界面不稳定性引起的可压缩湍流混合过程，并且可以不需要人为给定初始湍流场。我们用同一套参数模拟了不同Ａｔｗｏｏｄ数的激波管实验，数值结果与实验基本一致     

基于J-C本构模型的Comp.B炸药落锤冲击数值模拟

为研究Comp.B炸药在惯性冲击下的力学响应特性, 基于Johnson-Cook本构模型, 对点火前的Comp.B炸药大落锤(400kg)冲击实验进行了数值模拟. 在不同应力加载条件下模拟计算得到了用状态方程和不用状态方程的$\sigma$-$t$曲线, 对比应力峰值、应力上升时间等主要力学参数, 结果表明考虑了状态方程的数值模拟结果与实验吻合最好, 可以很好地模拟炸药惯性冲击下的力学响应.