溶解与热对流对固体颗粒运动影响的直接数值模拟

对牛顿流体内溶解与热对流对单颗粒在垂直管道中的沉降运动进行了直接数值模拟.流体运动由守恒方程计算,密度和黏性的变化考虑流场温度变化的影响,通过积分黏性应力和压力获得颗粒的受力跟踪颗粒运动,溶解引起的相变及其形状的变化由溶解潜热、溶解质量与分散相边界处的温度梯度的关系建立的方程决定.通过颗粒和流体间相互的作用力和力矩及边界条件的施加实现相间耦合.分别模拟了颗粒在等温流体、热流体、冷流体及颗粒溶解四种情况下的沉降过程.结果表明,在一定雷诺数内,热对流产生的颗粒尾迹处涡的脱落以及溶解引起的颗粒表面形态的变化引起了颗粒的横向摆动,并使颗粒沉降速度发生了变化. 关键词： 溶解 热对流 颗粒两相流 直接数值模拟     

溶解椭圆颗粒沉降的介观尺度数值模拟

在任意拉格朗日欧拉(ALE)算法模拟有热对流影响的颗粒两相流动的直接数值模拟基础上, 通过建立颗粒溶解速度和颗粒表面热流密度的关系, 对溶解的椭圆颗粒在垂直管道内牛顿流体中的沉降进行了直接数值模拟. 计算结果表明:与等温惰性椭圆颗粒沉降相比, 流体的对流运动、颗粒质量以及形状的变化等因素使溶解的椭圆颗粒在不同初始角度沉降时, 颗粒沉降动态尾迹、颗粒受力、颗粒沉降速度等都发了较大变化.     

热对流条件下双颗粒沉降的直接数值模拟

在任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法模拟等温惰性颗粒两相流的基础上,增加对能量方程的联立求解,对热对流条件下双颗粒的沉降进行了直接数值模拟.结果表明:双颗粒在等温流体、热流体和冷流体中运动形式是不同的,造成不同的主要因素是热对流引起了颗粒不同的动态尾迹,在热流体中颗粒尾部形成了涡的脱落,在冷流体中颗粒尾部形成了羽流.     

热对流条件下颗粒沉降的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法模拟了在热对流条件下的颗粒沉降问题, 在研究单颗粒在等温流体、热流体和冷流体中运动的基础上, 进一步模拟了两个不同温度的颗粒在流体中的沉降.结果表明:两等温颗粒的沉降方式与雷诺数Re以及格拉晓夫数Gr密切相关, 而两不同温度的颗粒与两等温颗粒的沉降规律有显著不同.无论初始位置如何, 冷颗粒最终总位于热颗粒下方运动, Re较大时, 发生连续的拖曳、接触现象, 而Re较小时, 冷颗粒会以较大的沉降速度远离热颗粒. 关键词： 格子Boltzmann方法 颗粒沉降 热对流     

基于有限体积虚拟区域方法的两相流动直接模拟

为提高计算效率，提出有限体积法离散下的虚拟区域颗粒两相流动直接模拟方法.在控制方程中加入相应的虚拟区域源项，保证了颗粒内部的刚体运动特性.该源项中含有颗粒信息部分及流体信息部分.在每次迭代后，对源项中的流体信息部分进行更新，从而更好地保证颗粒内速度的刚体分布.计算静止颗粒圆柱绕流及单个颗粒的沉降过程，验证了算法的准确性.     

热对流条件下固液密度比对颗粒沉降运动影响的直接数值模拟

本文应用任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法对固液两相流流场中考虑热对流的非等温颗粒在竖直通道中的沉降运动进行了数值模拟.在牛顿流体中通过积分黏性应力和压力获得颗粒的受力跟踪颗粒运动,使用有限元方法数值求解流场的N-S方程和能量方程,模型不需经验假设.通过模拟来研究颗粒沉降的运动规律和热对流下固液密度比对固液两相流的影响作用.结果表明随着固液密度比的增加,颗粒经历了稳定沉降、周期性摆动,不规则摆动等过程;热对流使颗粒的摆动幅度和沉降速度发生变化;热对流对颗粒的影响作用随着固液密度比的增加而减小.     

直接模拟中不同边界条件的实施及对沉降规律的影响

在牛顿流体中, 对颗粒在4种不同边界的垂直通道中的沉降运动进行了直接数值模拟. 计算结果表明:通过计算区域随颗粒运动而移动构建的无限长通道能准确模拟颗粒自由下落到稳定沉降的发展过程; 周期性边界条件由于流场变化, 对颗粒沉降产生了影响, 不能模拟颗粒的自由沉降过程; 底部封闭边界适合模拟封闭容器内颗粒与固壁的相互作用过程, 若颗粒达到稳定沉降, 也能模拟无限长通道内的沉降过程; 流化边界适合模拟流化床内气固两相流动. 计算结果有助于更好地理解和使用不同边界条件. 关键词： 直接数值模拟 边界条件 沉降 任意拉格朗日-欧拉方法     

耗散粒子动力学对颗粒沉降问题的研究

给出了一种耗散粒子动力学方法模拟流体流动的理论及数值模型,包括控制方程组、边界条件、数值计算方法.使用耗散粒子动力学方法编程计算了颗粒在重力作用下的沉降运动,观察到颗粒的质量和所受重力对颗粒运动轨迹的影响,且颗粒质量越小,所受重力越小,颗粒运动所表现出的随机性越强烈.从而验证了所采用的数学模型、计算方法在流动数值模拟中的可行性及潜在优势.     

颗粒与高频感应热等离子体流的迭代计算

用完全二维自洽模型计算等离子体的速度场与温度场，用颗粒轨迹模型计算颗粒的运动轨迹与加热历程，但在等离子体的连续、动量和能量控制方程中，增加一项由于颗粒直径、运动速度及能焓的变化而引起的源项，计及颗粒的运动与加热对等离子体的速度场与温度场的影响；在颗粒的运动轨迹与加热历程计算中，考虑流体阻力和热泳力对颗粒运动与加热的影响；并在等离子体的速度场与温度场和颗粒的运动与加热之间进行迭代计算。通过对铝颗粒与     

微尺度稀薄效应下颗粒沉降的格子Boltzmann方法模拟

基于多松弛格子Boltzmann模型，对竖直细长微通道内颗粒自由沉降过程进行模拟，分析气体稀薄效应、初始位置以及颗粒间相互作用对微颗粒沉降特性的影响.研究表明：随Knudsen数增大，微通道内气体稀薄效应增强，颗粒表面气体滑移速度增大，气相流体有效粘度减小，颗粒相同运动状态下受到气体阻力相应减小，颗粒沉降平衡速度明显增大；不同初始位置颗粒沉降过程存在明显差异，初始位置偏离中心线颗粒将发生水平方向位移且呈振荡趋势，最终稳定于中心线平衡位置；在微尺度双颗粒沉降DKT现象过程中，气体稀薄效应影响颗粒运动特性，后颗粒跟随过程明显增长.     

两个非磁性颗粒在磁流体中的沉降现象研究

在磁场作用下,在磁流体里添加非磁性颗粒(non-magnetic particles,NPs),可以使得NPs形成不同的结构,操控NPs的运动从而影响磁流体的特性,这种应用逐渐受到了研究者的关注.为了更好地操控磁流体里NPs的运动,本文采用一种多物理模型研究在外加磁场作用下,磁流体中两个NPs沉降的运动过程.其中,用格子玻尔兹曼方法模拟磁流体的运动,外加磁场对磁流体的影响用一种自修正方法求解泊松方程,这个自修正方法可以使欧姆定律满足守恒定律.NPs之间的偶极干扰力采用偶极力模型,同时采用一种相对过渡平滑的共轭边界条件处理NPs与磁流体交界面的流固干扰以避免磁场密度过渡的突变.本文主要探究两个NPs在磁流体中的沉降,揭示磁场作用下NPs的相互干扰原理;同时,对控制NPs运动时的参数进行调节,得到NPs不同的运动轨迹,达到操控颗粒运动的目的.本研究可对NPs在磁流体中的应用提供定量的分析结果,对NPs在工业上的应用提供有力的理论支撑.     

Pressure effects in the planar solidification of a finite slab: convective cooling and prescribed heat flux boundary conditions

Summary The classical Stefan problem assumes a fixed melting temperature. However, when the solid phase is the one with lower density (e.g., water) the solidification of the system causes an overall volume increase that is often contrasted by the container walls. In that case the growing pressure determines a continuous lowering of the freezing point, and the temperature field as well as the interface motion are strongly affected. This paper is concerned with these aspects of the problem; the planar solidification of a slab of finite thickness, contrasted by an opposing elastic force, is numerically simulated. The effects of two different boundary conditions are analysed. When the solidification is driven by convective cooling, the continuous advancement of the melting front is replaced by an asymptotic behaviour, until thermal equilibrium is attained. When the boundary condition is specified in terms of a prescribed heat flow, the melting front velocity is slowed down by a growing adverse temperature gradient. The influence of various parameters on the process is presented and discussed.     

Visualization of turbulence structure in unsteady non-penetrative thermal convection using liquid crystal thermometry and stereo velocimetry

Temperature and velocity fields in unsteady non-penetrative turbulent thermal convection of a horizontal fluid layer are measured in horizontal and vertical planes simultaneously using the combined liquid-crystal thermometry and stereo particle image velocimetry (PIV) with high spatial and temporal resolution. The result shows the formation of convection pattern across the fluid layer, which originates from the spoke structure over the heated surface. The upward fluid motion is generated from the intersection of the bursting lines of the spoke structure, while the downward motion is induced by the low temperature fluid directing toward the center of the spoke structure. Thus, the large-scale convective motion is produced in the fluid layer through the motion of spoke structure. The POD analysis of the temperature and velocity eigenfunctions shows the existence of large-scale motion in the fluid layer, which supports the observed convection pattern near the heated boundary and in the middle of the fluid layer.     

超临界流体Rayleigh-Bénard对流的数值模拟研究

物质气液临界点附近热物理性质发生剧烈变化,会出现一种对热力学平衡有显著加速作用的热声活塞效应。而在长时间尺度上,因重力作用而产生的Rayleigh-Bénard对流在活塞效应的影响下,其表现出来的物理特性与普通流体相比存在较大的差异。我们通过SIMPLE方法对超临界氮在不同临界距离下的自然对流发生过程进行数值模拟,结果显示当流体热力学状态接近临界点时,对流作用的发生取决于边界层内热羽流的形成,并且具有明显的湍流特征,而随着离开临界点的距离加大,流场的形成逐渐过渡到一般可压缩流体的情形。     

Eulerian simulation of sedimentation flows in vertical and inclined vessels

Sedimentation of particles in inclined and vertical vessels is numerically simulated using a finite volume method where the Eulerian multiphase model is applied. The particulate phase as well as the fluid phase is regarded as a continuum while the viscosity and solid stress of the particulate phase are modelled by the kinetic theory of granular flows. The numerical results show an interesting phenomenon of the emergence of two circulation vortices of the sedimentation flow in a vertical vessel but only one in the inclined vessel. Several sensitivity tests are simulated to understand the factors that influence the dual-vortex flow structure in vertical sedimentation. Results show that a larger fluid viscosity makes the two vortex centres much closer to each other and the boundary layer effect at lateral walls is the key factor to induce this phenomenon. In the fluid boundary layer particles settle down more rapidly and drag the local carrier fluid to flow downward near the lateral walls and thus form the dual-vortex flow pattern.