黏性液滴变形过程的核梯度修正光滑粒子动力学模拟

本文提出了一种核梯度改进光滑粒子动力学(KGC-SPH)方法,模拟了黏性液滴形变自由表面问题.首先,通过模拟等温黏性液滴拉伸和旋转变形,验证了KGC-SPH法较SPH法具有较高精度和更好稳定性,且能很好地保持总角动量守恒.其次,基于非等温van der Waals模型对平衡态圆形液滴的形成过程进行数值研究,观察到小幅度振荡现象,并给出了一种新的克服张力不稳定性的方法和一种适合KGC-SPH方法的新的表面张力处理技术.最后,研究了van der Waals液滴的周期性振荡现象,讨论了初始椭圆形液滴长短半轴比 关键词： 光滑粒子动力学 黏性液滴 van der Waals模型 表面张力     

基于光滑粒子动力学方法的液滴冲击固壁面问题数值模拟

采用改进的光滑粒子动力学(SPH)方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性, 在传统的SPH方法的基础上对粒子方法中的密度和核梯度进行了修正, 采用了考虑黎曼解法的SPH流体控制方程, 构造了一种新型的粒子间相互作用力(IIF)模型来模拟表面张力的影响. 应用改进的SPH方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 计算结果表明：新型的IIF 模型能够较好地模拟表面张力的影响, 改进的SPH方法能够精细地描述液滴与固壁面相互作用过程中液滴的内部压力场演变和自由面形态变化, 液滴的铺展因子随初始韦伯数的增大而增大, 数值模拟结果与实验得到的结果基本一致. 关键词： 液滴 固壁面 光滑粒子动力学 表面张力     

液滴溅落问题的光滑粒子动力学模拟

对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核近似式和粒子近似式进行了修正, 采用Riemann 算法求解光滑粒子动力学流体控制方程, 添加了表面张力的计算程序, 考虑了表面张力对液滴溅落的影响. 应用改进的光滑粒子动力学方法对液滴静止状态下冲击液面的飞溅过程进行了数值模拟. 计算结果表明, 改进的光滑粒子动力学方法能够有效地描述液滴溅落液面的动力学特性和自由表面变化特征, 能够得到稳定精度的结果.     

基于不可压缩光滑粒子动力学的黏性液滴变形过程仿真

应用基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学(incompressible smoothed particle hydrodynamics, ISPH)法对黏性液滴变形过程进行了数值仿真. 对于张力失稳导致的粒子非物理簇集问题, 采用粒子移位技术加以解决. 为了验证本文ISPH 算法的精度和稳定性, 分别模拟了圆形黏性液滴的拉伸变形过程以及方形液滴的旋转变形过程, 得到了不同时刻液滴内部的压力变化特征, 准确地捕捉了液滴自由面演化过程, 并将数值计算结果与文献中的解析解进行了比较.分析结果表明, 基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学方法结合粒子移位技术, 能够有效地模拟黏性液滴变形过程, 可以得到精确和稳定的结果. 关键词： 不可压缩光滑粒子动力学 黏性液滴 自由面流动 数值仿真     

微液滴振荡过程的光滑粒子动力学方法数值模拟

本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正, 采用了一种新型的核函数和离散格式, 应用改进的光滑粒子动力学方法对微液滴振荡过程进行了数值研究. 研究了不同纵横比和雷诺数(Re)下振荡阻尼与振荡的周期、振幅与Re数的关系. 研究表明: 对于纵横比λ≤ 4时的微液滴振荡过程, 其他参数恒定不变的前提下, Re数越大, 液滴形状变化越剧烈, 波的阻尼作用越弱, 液滴振荡周期变长; 在Re数一定的前提下, 随着液滴初始的纵横比的增大, 液滴振动的振幅增大, 液滴振荡的周期变长.     

SPH方法在液固撞击数值模拟中的应用

对液滴分别采用光滑粒子流体动力学(SPH)和任意拉格朗日-欧拉(ALE)两种方法模拟液滴高速冲击有机玻璃(PMMA)过程中液滴的变形、固体结构的损伤.结果表明:两种算法中结构表面的损伤情况与Brunton实验数据吻合,证明了数值分析方法的可行性和精确性;此外,对比发现SPH方法模拟液固撞击过程更具有优势.利用SPH方法分析实际工程问题,验证了两种工程处理技术可以有效地提高螺旋桨抗雨水的冲击能力.     

液滴冲击液膜问题的光滑粒子动力学模拟

本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进．改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正,采用了一种新型的耦合边界条件,添加了表面张力和人工应力的计算程序．应用改进的光滑粒子动力学方法对液滴冲击液膜问题进行了数值模拟．得到了不同时刻液滴内部的压力变化特征,精细地捕捉了不同时刻的自由面,从机理上分析了液滴产生飞溅的条件,探讨了韦伯数,表面张力对液滴冲击液膜问题的影响．计算结果表明,改进光滑粒子动力学方法能够有效地描述液滴冲击液膜的动力学特性和自由表面变化特征,能够得到稳定精度的结果．     

微液滴动力学特性的耗散粒子动力学模拟

对传统的耗散粒子动力学方法进行了改进.改进的耗散粒子动力学方法采用了包含远程吸引力和近距排斥力的保守力势函数,从而使得用耗散粒子动力学方法模拟多相流动成为可能.应用改进的耗散粒子动力学方法,对微尺度下液滴的形成及液滴在微重力下的大幅度振荡变形进行了数值模拟.计算结果表明,改进的耗散粒子动力学(DPD)方法能够有效地描述微尺度下液滴的动力学特性,对研究复杂流体多相流动有着重要的意义. 关键词： 多相流 微液滴 耗散粒子动力学(DPD)方法 保守力势函数     

eXtended Pom-Pom黏弹性流体的改进光滑粒子动力学模拟

黏弹性流体广泛存在于自然界和工业生产中,对其复杂流变特性的研究具有重要的学术价值和应用意义.本文提出一种改进的光滑粒子动力学方法,对基于eXtended Pom-Pom模型的黏弹性流动进行了数值模拟.为了提高计算精度,采用一种不含核导数计算的核梯度修正离散格式.为了防止粒子穿透固壁,提出一种增强型的边界处理技术.为了消除张力不稳定性,将人工应力耦合到动量守恒方程中.运用改进光滑粒子动力学方法数值模拟了基于eXtended Pom-Pom模型的黏弹性Poiseuille流和黏弹性液滴撞击固壁问题,通过与解析解或有限差分方法解的比较以及对数值收敛性的评价,验证了改进光滑粒子动力学方法的有效性和优势,并在此基础上,深入分析了Reyonlds数、Weissenberg数、溶剂黏度比、各向异性参数、松弛时间比和分子链臂数等流变参数对流动过程的影响.     

充模过程中熔接痕的改进光滑粒子动力学方法模拟与预测

提出了一种黏弹性流体的改进光滑粒子动力学(SPH)方法以试探性地模拟和预测黏弹性FENE-P熔体充模过程中熔接痕的形态演化. 首先基于SPH方法建立了聚合物流动的宏微观耦合模型, 同时提出了黏弹性流体的改进SPH离散格式. 随后, 通过模拟一些基准算例验证了改进的SPH方法模拟聚合物宏微观耦合问题的有效性及收敛性, 以及所提出的黏弹性温度模型的有效性. 最后, 模拟了环型腔内的充模过程, 试探性地展示了充模过程中微观分子的变形过程. 同时采用顺序热流道技术模拟了多浇口C形腔内的充模过程, 并与其他数值结果做比较. 数值结果表明: 对于大制件多浇口充模过程, 顺序热流道技术能够改善甚至消除充模过程中的熔接痕.     

基于范德瓦尔斯表面张力模式液滴撞击疏水壁面过程的研究

液滴撞击疏水壁面过程的研究在介观流体力学和微流体作用材料科学的研究中具有重要的理论意义和工程价值. 论文在SPH方法中引入范德瓦尔斯状态方程处理液滴表面张力, 考虑流体粒子之间远程吸引, 近程排斥的内部作用力, 提出了流体粒子与疏水壁面粒子间势能函数与表面张力相结合的作用模式. 通过模拟真空条件下两个静止的等体积液滴相互融合的过程, 验证了计算模式在模拟液滴的表面张力中的有效性. 采用该模式模拟的液滴撞击疏水壁面过程, 不仅能够有效地模拟液滴撞击壁面后的变形过程, 而且清晰地模拟出液滴的回弹、腾空以及二次撞壁现象的完整过程. 模拟结果与液滴撞击疏水壁面的实验结果以及VOF模拟结果符合较好, 表明本文所提出的表面张力和疏水壁面作用力处理模式对模拟液滴撞壁过程具有实际应用价值.     

基于大密度差多相流SPH方法的二维液滴碰撞数值模拟

该文结合了Ott提出的修正连续性方程和Adami改进的动量方程, 对空气中的液滴碰撞问题进行了二维数值模拟. 为有效提高计算精度, 推导了适用于大密度差多相流的人工黏性和人工应力方程. 通过表面张力作用下方形液滴自然变化和空气中两液滴互溶的算例, 验证了算法的有效性; 对不同韦伯数 (8.8, 19.8)、不同碰撞参数 (0, 0.5)下的液滴碰撞过程进行了数值模拟, 并与VOF方法对比,取得了较为一致的结果; 进一步计算多个韦伯数、多个碰撞参数下的液滴碰撞, 得到了空气中二维液滴碰撞结果分布图,与实验结果相符合. 结果表明, 该算法对于求解涉及大密度差多相流的液滴碰撞破碎问题十分有效,而且该方法容易拓展到三维, 从而为进一步模拟火箭发动机的二次雾化过程奠定了基础. 关键词： 光滑粒子流体动力学 大密度差 多相流 液滴碰撞     

Binary collision of a burning droplet and a non-burning droplet of xylene: Outcome regimes and flame dynamics

The binary collisions of a burning droplet and a non-burning droplet of xylene are experimentally investigated. The experimental parameters span an extensive range of Weber number and impact parameter, covering the collision outcome regimes of coalescence, reflexive separation, and stretching separation. A high-speed camera captures the temporal details of the collision process, involving flame spread, visible radiation, and flame distributions around droplets. For reflexive separation and stretching separation, the flame from the droplet spreads to the ligament, surrounding it during the interaction process, and then spreads around separated droplets and satellite droplets. Highly-interactive flames are formed in-between the droplets, with very sooty flames generated for most collisions. For the coalescence case, a swirling flame forms around the rotating coalesced droplet. For similar Weber numbers, visible flame radiation is compared for different collision regimes. The visible flame radiation changes more significantly for the reflexive and stretching separation cases than it does for the coalescence case. The change of the averaged visible flame radiation for reflexive separation and stretching separation is more than two times higher than that for coalescence. The map of three different collision regimes is plotted in the Weber number versus impact parameter domain and compared with available theoretical model predictions. Although the different outcomes of collision with the presence of flame can be well predicted by the model, using fluid properties determined by the averaged properties of the two droplets, the dynamics of the detailed processes involved in the collisions are very interesting and have strong implications on overall combustion behavior that go well beyond the mapped regimes.     

The collision efficiency of spherical dioctyl phthalate aerosol particles in the Brownian coagulation

The collision efficiency in the Brownian coagulation is investigated. A new mechanical model of collision between two identical spherical particles is proposed, and a set of corresponding collision equations is established. The equations are solved numerically, thereby obtaining the collision efficiency for the monodisperse dioctyl phthalate spherical aerosols with diameters ranging from 100 to 760 nm in the presence of van der Waals force and the elastic deformation force. The calculated collision efficiency, in agreement with the experimental data qualitatively, decreases with the increase of particle diameter except a small peak appearing in the particles with a diameter of 510 nm. The results show that the interparticle elastic deformation force cannot be neglected in the computation of particle Brownian coagulation. Finally, a set of new expressions relating collision efficiency to particle diameter is established.     

范德瓦耳斯气体体积修正的新计算方法

范德瓦耳斯方程能够较好地描述实际气体的热力学过程,方程中的参数b是因实际气体分子的体积而引入的修正量.本文通过考察分子之间的相互碰撞事件,计算得到了范德瓦耳斯气体体积的修正值,约等于1 mol气体所有分子体积总和的4倍,结果与其他方法得到的结果一致.这是一种新的计算思路和方法.     

Collision relaxation cross section of highly vibrationally excited molecules

Through quantum-beat spectroscopy collision relaxation of a high vibrational level of SO2 at 44 877.52 cm(-1) is characterized. This is a first measurement of collision relaxation for a single, highly excited vibrational level. The deduced relaxation cross section of this excited level by Ar is 216 A(2), 5 times the area of the hard sphere, and by an ambient temperature SO2 molecule is 969 A(2), almost 20 times the hard sphere. These cross sections indicate that relaxation collisions of highly vibrationally excited molecules have effective distances much longer than van der Waals radii and involve mechanisms qualitatively different from lower excitations.     

The boundary element approach to Van der Waals interactions

We develop a boundary element method to calculate Van der Waals interactions for systems composed of domains of spatially constant dielectric response of a general boundary shape. We achieve this by rewriting the interaction energy expression presented in Phys. Rev. B, 62 (2000) 6997 exclusively in terms of surface integrals of surface operators. We validate this approach in the Lifshitz case and give numerical results for the interaction of two spheres as well as the van der Waals self-interaction of a uniaxial ellipsoid. Our method is simple to implement and is particularly suitable for a full, non-perturbative numerical evaluation of non-retarded van der Waals interactions between objects of a completely general shape.     

Dynamic van der waals theory of two-phase fluids in heat flow

We present a dynamic van der Waals theory. It is useful to study phase separation when the temperature varies in space. We show that, if heat flow is applied to liquid suspending a gas droplet at zero gravity, a convective flow occurs such that the temperature gradient within the droplet nearly vanishes. As the heat flux is increased, the droplet becomes attached to the heated wall that is wetted by liquid in equilibrium. In one case corresponding to partial wetting by gas, an apparent contact angle can be defined. In the other case with larger heat flux, the droplet completely wets the heated wall expelling liquid.