风沙运动问题的SPH-FVM耦合方法数值模拟研究

针对离散颗粒模型和欧拉-欧拉双流体模型在求解气粒两相流动问题中存在的不足,提出了一种新方法——SPH-FVM耦合方法,并应用于风沙运动过程的数值模拟计算.新方法基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对离散颗粒相进行求解,追踪单颗粒运动轨迹,采用有限体积法(FVM)求解连续气体相,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架.对SPH粒子所承载的物质属性进行了重定义,改造成了适用于离散颗粒相求解的光滑离散颗粒流体动力学模型(SDPH),阐述了SPH粒子与离散相中颗粒之间的关系,推导得到了拟流体SPH离散方程组.模拟了风沙运动中沙粒跃移过程和自由来流风速作用下沙粒的运动过程以及沙丘在风力作用下缓慢向前蠕移的过程,分析了颗粒的运动轨迹,流场中沙粒水平速度分布规律以及气体速度场在沙粒反作用下的变化情况等,与实验结果相符合,结果表明该方法不仅精度较高,而且计算量较小,适于求解风沙运动问题乃至其他气粒两相流动问题.     

燃料抛撒成雾及其燃烧爆炸的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟研究

燃料在炸药爆炸驱动下形成燃料空气爆炸云团, 进而引燃爆炸, 对目标造成毁伤. 本文在前期提出的光滑离散颗粒流体动力学方法(SDPH)的基础上, 引入描述炸药由爆轰到膨胀整个过程的Jones-Wilkins-Lee状态方程及描述气体快速燃烧过程的EBU-Arrhenius燃烧模型, 建立了求解战斗部起爆、燃料抛撒和燃料二次引燃爆炸问题的新型SDPH方法. 设计了圆环形燃料颗粒在炸药爆炸驱动下运动抛撒的算例进行数值验证, 结果与理论相符; 对燃料空气炸药(FAE)云雾的形成和发展过程进行了数值模拟, 分析了云雾的形态, 并与实验结果进行对比, 符合较好, 同时分析了不同起爆方式对云雾团成型的影响; 最后, 在云雾团成型的基础上, 引入蒸发燃烧模型对FAE的燃烧爆炸过程进行了模拟研究. 结果表明, 本文建立的数学模型和计算方法可以较好的模拟燃料空气炸药抛撒成雾及云雾燃烧爆炸过程, 为该类武器装备的设计研究提供了较好的数值方法.     

热动力学问题的数值计算

 对含热传导的流体动力学方程组，用有限元方法进行数值求解。采用傅里叶热传导计算热流、用热流连续条件计算单元间接触面的温度、用三角形传热法计算体单元表面的热流，考虑各向同性弹塑性流体材料模型、三项式物态方程和导热系数与状态的相关性，给出了傅里叶热传导、接触传热、热应力应变效应、以及混合物冲击压缩特性等算例。对混合物冲击温度的数值模拟表明，小颗粒混合物在冲击压缩过程中，颗粒间的温度有差别、稍有波动，并随时间趋向于一致，以至热平衡。     

道路交通的流体物理模型与粒子仿真方法

针对受多种因素影响的复杂道路交通系统问题,基于颗粒动力学理论,结合传统的Lighthill-WhithamRichards物理模型,建立道路交通系统的流体物理模型,采用无网格粒子与网格相结合的方法进行数值仿真,并应用于典型道路交通问题的求解.在新模型中,将车辆比拟为硬颗粒,车辆的跟车比拟为颗粒间的碰撞相互作用,已知道路情况对驾驶员操作车辆的影响比拟为流-粒两相系统中的外部流体驱动力作用,不同车道间车辆的影响比拟为颗粒间的黏性作用,从而在颗粒动力学理论的基础上,推导建立了道路交通系统拟流体模型;引入光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)对车辆系统模型进行离散,建立"SDPH车辆"与真实车辆之间的一一对应关系,再结合有限体积方法,对道路交通构建的双流体模型进行求解,建立求解交通流体物理模型的新型仿真方法.最后,采用所建立的模型和方法对车辆汇入以及机非混合对交通系统的影响过程进行了数值仿真,所得结果与实测值符合较好,表明新的模型和方法有效性好、可靠性高,为道路交通问题的解决提供了一条全新的途径.     

纳米颗粒团聚物流化特性的数值研究

基于气固两相流体动力学理论,建立气体纳米颗粒团聚物两相流动双流体模型.模型中采用了Jung ＆ Gidaspow (2002)测量的固相应力模量和王垚等(2001)提出的聚团曳力系数计算模型.对纳米颗粒团聚物的流化过程进行了数值模拟,得到纳米颗粒团聚物的流化特性.模拟得出的床层膨胀比与文献中实验的结果较为接近.     

双大涡模拟方法模拟提升管内气固两相流动

基于Smagorinsky涡黏模型以及颗粒动理学理论,建立了气固两相流双大涡模拟模型。考虑大涡模拟中过滤尺度的影响,给出颗粒相亚格子压力和热传导系数计算模型。考虑颗粒聚团对两相作用的影响,给出了考虑颗粒聚团作用的气固两相多尺度曳力系数模型。数值模拟了提升管内气固两相流动特性,合理地预测出了提升管内气固两相环-核流动结构。模拟结果与Knowlton等实测结果相吻合。     

颗粒增强湍流的新模型和气粒流动的湍流变动

用雷诺应力方程模型和极细的网格系对单个颗粒受湍流气体绕流进行了数值模拟,研究了改变颗粒直径和气体相对速度时颗粒增强气体湍流的规律.据此构造了颗粒尾涡增强气体湍流的新模型.将此子模型加入到两相流动模型中,对竖直和水平通道内气粒两相流动进行了数值模拟,和实验结果的对照表明,考虑颗粒尾涡增强气体湍流效应得到的气体湍流脉动速度的模拟结果比不考虑此效应的模拟结果好得多.     

稠密可压缩气粒两相流动中的等熵声速计算建模及物理规律

气体相与颗粒相混合流场的声速研究, 由于具有重要的基础理论价值与广泛的工程应用背景, 逐渐受到人们重视. 针对稠密可压缩气粒两相流动, 综合考虑颗粒相所占空间体积以及颗粒间相互作用, 推导给出了新的等熵声速计算公式; 新公式包含了已有的纯气体、稀疏气粒两相流情形的计算公式作为其特例, 一方面验证了公式推导的正确性, 另一方面说明新公式更具有通用性; 分析了不同颗粒质量分数条件下的声速变化规律, 相应结果与普朗特的理论分析符合, 特别对于稠密气粒两相流动工况得到了一些新的物理认识; 开展了颗粒间相互作用建模参数的物理分析, 揭示了其对气粒两相流动声速的影响机理. 本文取得的成果为稠密可压缩气粒两相流动研究以及相关工程应用提供理论支撑.     

微通道内滑移区气体-颗粒流动传热数值模拟

本文针对微通道内气粒间流动传热过程开展数值研究,所建模型中气体处理为可压缩/变物性流体,并在气固交界处采用速度滑移和温度跳跃边界条件以考虑其微尺度效应。在数值研究基础上,分析了微通道受限空间、克努森数、气体流速以及颗粒表面温度对微通道内气粒换热的影响。研究结果表明,受限空间结构将强化气粒间换热过程,颗粒表面平均传热努赛尔数随微通道气体流量增大而增大,克努森数增大以及颗粒表面温度升高都将导致颗粒表面平均传热努赛尔数减小。     

炉内两相流动和煤粉燃烧的双流体-轨道模型

本文首次用双流体一轨道（连续介质－轨道ＣＴ）模型对大尺寸四角喷燃炉内气粒两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。该模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和质量变化的方程,对各子模型用ｋ－ε－ｋｐ两相湍流模型,ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ湍流燃烧模型,煤粉颗粒的水分蒸发,热解挥发和焦炭燃烧的扩散－动力模型,ＤＯ（离散坐标）辐射模型。采用了将坐标扭转一定角度的方法减小入口射流和网格斜交造成的伪扩散。编制了ＬＥＡＧＡＰ－ＦＵＲＮＡＣＥ－３程序,分别对冷态模型炉内两相流动和大尺寸炉内三维两相流动和煤粉燃烧进行了模拟,并与颗粒轨道（ＳＴ）模型的模拟结果进行了对照。采用ＰＤＰＡ对冷态模型炉内气粒两相流场进行了测量。冷态两相流动的模拟与实验结果的对比表明ＣＴ模型的模拟结果和实验符合较好,ＳＴ模型所得颗粒浓度分布和实验山入较大。热态模拟的结果给出了两相速度,气相温度,组分浓度和壁面热流分布。模拟结果定性合理。模拟结果显示在出口处由于气流旋转,有一局部高温区存在。     

循环流化床收集器内颗粒团聚流动特性的研究

基于气固两相流理论和气溶胶动力学原理,建立流化床收集器(CFBA)内气体细颗粒聚团气固两相双流体模型。对不同入口气体速度、初始颗粒尺寸分布和不同颗粒团聚形成机理下收集器内颗粒聚团流动的流体动力特性进行数值模拟。研究结果表明湍流运动和剪切作用对颗粒聚团的形成起主要作用,布朗运动对颗粒团聚形成的影响可忽略不计。吸收颗粒可有效提高捕获细颗粒和颗粒聚团形成的能力。     

DSM-LPDF两相湍流模型及旋流两相流动的模拟

本文由流体－颗粒速度的拉氏联合概率密度函数（ＰＤＦ）输运方程出发,用Ｓｉｍｏｎｉｎ建议的Ｌａｎｇｅｖｉｎ模型封闭颗粒所遇到流体瞬时速度的条件期望项,并用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ方法直接求解 ＰＤＦ输运方程,将其和求解流体雷诺应力方程模型的有限差分方法结合,建立了雷诺应力－拉氏ＰＤＦ（ＤＳＭ－ＬＰＤＦ,简称ＤＬ）两相湍流模型．用此模型模拟了旋流数为０．４７的突扩旋流气粒两相流动,并与文献中ＰＤＰＡ实验和用类似于单相流动湍流模型封闭方法的时平均统一二阶矩（ＵＳＭ）模型的预报进行了对比．     

瞬态热传导问题的一阶对称SPH方法模拟

为提高传统光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法模拟瞬态热传导问题的精度和稳定性,本文提出了一种一阶对称光滑粒子动力学(first order symmetric SPH, FO-SSPH)方法.该方法将具有二阶热传导方程分解成两个一阶偏微分方程,然后基于梯度离散和Taylor级数展开思想,对一阶核梯度形式进行修正,并将得到的局部矩阵对称化.数值结果表明:与传统SPH方法相比,FO-SSPH方法精度高、数值稳定性好; 该方法能较准确地直接施加混合边值 关键词： 瞬态热传导 光滑粒子动力学 非线性     

三维煤粉燃烧全双流体模型的数值模拟

1引言目前煤粉燃烧综合模型最为广泛的是以轨道模型为基础，美国杨伯翰大学的先进燃烧工程中心（CERC）自1980年起研制二维煤粉燃烧程序PCGC－2，从1990年起研制三维煤粉燃烧的PCGC－3程序[1]。与轨道模型发展的同时，美国Rabcock＆Wilcox公司Fiveland[2]等人研制了FURMO程序，用无滑移模型对560MW侧墙喷燃煤粉炉进行了三维全模拟。其特点是首次用全欧拉的处理方法计算三维煤粉燃烧过程，其不足之处是不考虑气粒两相间的速度滑移和温度滑移．总的看来，用轨道模型模拟煤粉燃烧，易于考虑颗粒反应经历，也可给出两相之间的速度及温…     

使用扩散模型数值模拟二维湍流气固两相流

本文从描述多维湍流气固两相流的两流体模型出发,导出了计算湍流气固两相流中固体颗粒扩散速度的计算模型,进而基于在一维流场中颗粒的终端速度是重力加速度gi的函数,提出在多维流场中颗粒相处于一个修正的加速度场g'i的作用下,该修正的加速度g'i包含了包括重力在内的各种力的作用,这些力对颗粒的加速作用与重力对颗粒的加速作用没有区别。根据这种观点,提出了用于模拟多维湍流气固两相流的改进的扩散模型。本文使用改进的扩散模型对台阶后方的气固两相流进行了数值模拟,并将数值计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,改进的扩散模型的预报结果与实验结果符合得相当好。     

流化床内超细颗粒的流动

基于气体分子运动论和颗粒动理学,建立超细颗粒气固两相湍流流动模型,模型考虑了气相与颗粒聚团之间以及颗粒聚团之间的动量和能量的传递和耗散。建立超细颗粒固相粘性系数、超细颗粒压力等物性参数计算模型。超细颗粒的聚团改变了单颗粒碰撞动力学以及颗粒相压力、粘性系数等输运特性。模型模拟计算颗粒聚团直径分布与Zhaolin等[1]实测值相吻合。     

非等温非牛顿黏性流体流动问题的修正光滑粒子动力学方法模拟

为准确、有效地模拟非等温非牛顿黏性流体的流动问题,本文基于一种不含核导数计算的核梯度修正格式和不可压缩条件给出了一种改进光滑粒子动力学(SPH)离散格式,它较传统SPH离散格式具有较高精度和较好稳定性.同时,为准确地描述温度场的演化过程,建立了非牛顿黏性的SPH温度离散模型.通过对等温Poiseuille流、喷射流和非等温Couette流、4:1收缩流进行模拟,并与其他数值结果作对比,分别验证了改进SPH方法模拟非牛顿黏性流动问题的可靠性和提出的SPH温度离散模型求解非等温流动问题的有效性和准确性.随后,运用改进SPH方法结合SPH温度离散模型对环形腔和C形腔内非等温非牛顿黏性流体的充模过程进行了试探性模拟研究,分析了数值模拟的收敛性,讨论了不同位置处热流参数对温度和流动的影响.     

Radiative heat transfer between two concentric spheres separated by a two-phase mixture of non-gray gas and particles using the modified discrete-ordinates method

The radiative heat transfer between two concentric spheres separated by a two-phase mixture of non-gray gas and a cloud of particles is investigated by using the combined finite-volume and discrete-ordinates method, named modified discrete-ordinates method (MDOM), which integrates the radiative transfer equation (RTE) over a control volume and a control angle simultaneously like in the finite-volume method (FVM) and treats the angular derivative terms due to spherical geometry as the conventional discrete-ordinates method (DOM). The radiative properties involving non-gray gas and particle behavior are modeled by using the extended weighted sum of gray gases model (WSGGM) with particles. Mathematical formulation and final discretization equations for the RTE are introduced by considering the behavior of a two-phase mixture of non-gray gas and particles in a spherically symmetric concentric enclosure. The present approach is validated by comparing with the results of previous works including gray and non-gray radiative heat transfer. Finally, a detailed investigation of the radiative heat transfer with non-gray gases and/or a two-phase mixture is conducted to examine the dependence of the radiative heat transfer upon temperature ratio between inner and outer spherical enclosure, particle concentration, and particle temperature.     

用视密度加权平均二阶矩模型模拟旋流两相流动

本文用视密度加权平均代替时平均,建立了视密度加权平均的统一二阶矩两相湍流模型方程组（ＭＵＳＭ）,其中用体积分数代替了数密度,用颗粒驰豫时间作为封闭两相脉动速度关联方程耗散项的时间尺度,并引入了颗粒视在的气体速度脉动的输运方程。用ＭＵＳＭ模型模拟了旋流数为０．４７的气粒两相流动。并和实验结果及时间平均的ＵＳＭ模型的模拟结果进行了对照,两种模型均能较好地预报的两相的轴向和切向速度,轴向和切向脉动速度。此外,ＭＵＳＭ模型可以减少所用方程数,节省计算量。因此视密度加权平均的统一二阶矩两相湍流模型是一种对时间平均的统一二阶矩模型的改进,今后可以进一步扩大应用。