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...     

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．     

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型, 介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展. 通过线性稳定性理论, 分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, Darcy-Brinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman -Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响. 利用弱非线性分析方法, 揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况, 以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式. 采用数值模拟方法, 研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的, 而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞, 最后发展为混沌状态.      

黏弹流体流动的数值模拟研究进展

综述了黏弹流体流动数值模拟的研究进展,突出介绍近十年来有限元法在黏弹流体流动数值模拟研究中取得的成果,通过动量方程的适当变形和本构方程离散权函数的合理选择,可以显著增强数值计算的稳定性。得到较高Weissenberg数下的解,同时文中对黏弹流体流动数值模拟中本构方程的应用、非等温情况和三维空间下的研究进行了介绍。     

用KBKZ型本构方程表征Boger流体黏弹性

用4个KBKZ积分型本构方程(Wagner模型、PSM模型、2e模型以及3r模型)描述了一种Boger流体的黏弹性．采用最小二乘法拟合G′和G″获得材料的松弛时间谱,采用非线性规划方法拟合N1得到各模型的衰减函数参数,结果表明,4个模型都可以准确地表征该Boger流体的流变特性．由于Wagner模型、PSM模型较简单,选择这两个模型表征Boger流体的黏弹性是合适的。     

广义Maxwell黏弹性流体在两平板间的非定常流动

将分数阶微积分运算引入Maxwell黏弹性流体的本构方程，研究了黏弹性流体在两平板问的非定常流动．对于广义Maxwell黏弹性流体的分数阶导数模型，导出了对时间具有分数阶导数的特殊运动方程，利用分数阶微积分的Laplace变换理论，得到了流动的解析解．     

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.      

黏弹性流体扩展及收缩流动的格子Boltzmann模拟分析

本文应用格子Boltzmann 方法(LBM)并结合Oldroyd-B 模型,讨论了不可压缩的 Navier-Stokes 方程和平流扩散本构方程的解耦及各自求解方法,以及两类问题的边界处理格式,实现了黏弹性流体在二维1:3 扩展流道以及3:1 收缩流道中的流动的数值模拟．获得了不同雷诺数Re 和维森伯格数Wi 以及黏度vs 下流动的流线分布,计算给出了漩涡的涡心位置和大小,并分析了参数Re、Wi 和vs 对流动特点的影响．模拟结果表明本文所采用模型和边界处理方法具有良好的精度和稳定性．     

PTT黏弹性流体的光滑粒子动力学方法模拟

运用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法对基于PHan-Thien-Tanner (PTT)模型的黏弹性流动进行了数值模拟. 首先, 利用SPH方法模拟了基于PTT模型的平板 Poiseuille流, 通过与文献结果的比较, 验证了SPH方法模拟黏弹性流动的准确性和有效性; 随后, 基于PTT模型对黏弹性自由表面流-液滴碰撞问题进行了SPH模拟, 研 究了PTT模型中拉伸参数对碰撞过程的影响. 为了解决张力不稳定问题, 采用简化的 人工应力公式. 数值结果表明, SPH方法可有效而灵活地模拟黏弹自由表面流问题.     

流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界

基于Biot流体饱和多孔介质本构方程,分别考察具有辐射阻尼性质的外行柱面波和球 面波在圆柱面和球面人工边界上引起的法向、切向应力的表达式. 在应力表达形式上,固相 介质和孔隙流体的法向和切向应力都是由两项组成,它们分别与质点的位移和速度成正比, 因此,可在人工边界的法向和切向设置连续分布的并联弹簧------黏滞阻尼器,用来模拟人工边 界以外的无限域介质对来自有限计算域的外行波动的能量吸收作用,从而形成了流体饱和多 孔介质的黏弹性动力人工边界. 流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界可方便地与大型通 用软件结合,用于分析饱和土中复杂的结构-地基动力相互作用问题. 算例表明流体饱和多 孔介质黏弹性动力人工边界具有较好的精度和稳定性.     

黏弹性流体在圆管内流动的谱方法模拟计算

采用修正Jeffreys模型来描述聚丙烯酰胺水溶液流变特性. 首先用具有二阶精度的差分法与拟谱法求解幂率模型, 分别与解析解进行比较, 结果表明拟谱法具有极高精度. 然后用拟谱法求解PAM水溶液在圆管中流动, 得到速度分布、应力分布,为三维模拟作准备.     

虚拟区域法在流固耦合问题中的应用

将多相流领域内的虚拟区域法引入到流固耦合问题的分析中,将固体视为应变率为零的虚拟流体,对流体和虚拟流体均以速度和压强作为基本变量,采用Navier-Stokes方程作为控制方程,同时求解流体域和虚拟流体域, 得到整个计算域的流场分布,应用分布式拉格朗日乘子法在虚拟流体域上施加刚体约束, 以保持虚拟流体的刚体外形和运动形式,最终建立一种流固耦合模型及其数值求解方法. 通过对粒子流问题和流固耦合问题进行数值模拟,验证了此模型的正确性和求解大变形/运动流固耦合问题的有效性.      

基于近场动力学的单晶冰弹性各向异性数值模拟方法

天然冰材料在变形与破坏行为上的各向异性特征是冰与结构相互作用中产生复杂载荷过程的关键诱因, 而天然冰各向异性的根源则在于单晶冰的各向异性. 目前, 学术界针对单晶冰各向异性的数值模拟方法研究仍较为缺乏. 为了准确再现天然冰材料的特殊力学性质, 本文基于近场动力学理论, 提出了一种单晶冰弹性各向异性的数值模拟方法. 该方法的核心思想是将单晶冰杨氏模量沿不同加载方向的变化规律引入到近场动力学力密度向量的影响函数中. 以前人实验测试得到的杨氏模量值为参考, 通过开展与C轴呈0°, 45°和90°三个加载方向的单晶冰单轴压缩数值模拟实验, 提出了针对该影响函数的修正和辅助参数标定方法, 最终在15°, 30°, 60°和75°等其他四个加载方向进行了验证. 结果表明: 本文提出的针对影响函数的修正与参数标定方法, 能够较为便捷地找到数值模型杨氏模量与参考杨氏模量相一致的影响函数最优解, 即本文提出的基于影响函数的近场动力学数值模拟方法, 能够合理、准确地模拟单晶冰的弹性各向异性行为. 本文研究成果可为后续多晶冰各向异性数值模拟方法的建立提供基础性参考.      

基于不同时间步长时域非结构有限体积法模拟声-弹性耦合问题

介绍一种改进的时域非结构有限体积法(FVM),并将其应用于声-弹性耦合问题.在流体与固体介质中分别求解声波动方程与弹性波方程,根据交界面上的力平衡与质点振速连续条件考虑二者的相互作用.同时考虑双线性四边形单元的线性变化项及常数项,并结合常应变三角形单元处理混合网格问题.分别对三角形单元和四边形单元进行色散分析,给出声波动方程的稳定性条件.在不同介质中采用不同时间步长,提高计算效率.求解弹性波问题、声-弹性耦合问题,结果表明,改进后的方法求解声-弹性耦合问题是有效和准确的,并且具有良好的数值稳定性.     

基于时域精细算法的EFG方法及其在粘弹性问题中的应用

将时域精细算法与EFG方法相结合,求解粘弹性静、动力问题.通过离散时间段上的变量展开,将时空耦合的初边值问题转化为一系列递推形式的边值问题,然后利用EFG方法进行自适应计算,对非线性问题无需进行迭代求解.此外,通过面力耦合技术,将FE方法和EFG方法简明有效地结合起来,避免了界面上形函数的复杂化.数值算例给出令人满意的结果.     

鱼类自主游动水动力学特性的数值模拟

通过对推力和阻力进行重新定义, 从根本上解决了鱼游研究中推力和阻力无法区分的难题.在此基础上, 利用自适应网格下的ghost-cell浸没边界方法, 模拟了鱼类以鲹科模式在黏性流体(309 \le Re \le 14\,581)和无黏流体 (相当于雷诺数无穷大情形)中的二维自主游动.结果表明: (1) Strouhal数随雷诺数增大而减小,当雷诺数趋向于无穷时, Strouhal数趋向于0.25; (2)在所有雷诺数情况下, 推力主要来源于压力分量; 当Re<3000时, 阻力的压力分量小于黏性力分量, 而当Re>3000, 二者的关系就会反过来; (3)推进效率随着雷诺数的增大而增大,当雷诺数趋向于无穷大时, 推进效率最高可以达到70%, 说明鲹科模式适用于较高雷诺数下的游动.      

基于整体位移模式的平面孔洞结构数值模拟方法

针对平面孔洞问题提出了一种新的数值模拟方法.论文通过水平集方法引入孔洞边界、力边界和位移边界水平集函数,利用边界水平集函数来构造边界试探项,将试探空间表示为二元幂级数与边界试探项的线性组合;同时提出一种基于水平集方法的位移边界条件施加方法,利用位移边界水平集函数来构造满足位移边界条件的近似位移场,并给出了相应的刚度矩阵和载荷矩阵表达式.与FEM、XFEM、无网格法等方法相比,该方法无需将求解域离散,具有较低的计算成本、特性良好的刚度矩阵和较为广泛的适用性.数值算例验证了该方法的有效性.