柔性微粒介电泳分离过程的多尺度模拟

介电泳分离是一种高效的微细颗粒分离技术,利用非均匀电场极化并操纵分离微流道中的颗粒. 柔性微粒在介电泳分离过程中同时受多种物理场、多相流和微粒变形等复杂因素的影响,仅用单一的计算方法对其进行模拟存在一定的难度,本文采用有限单元——格子玻尔兹曼耦合计算的方法处理这一难题.介观尺度的格子玻尔兹曼方法将流体看成由大量微小粒子组成,在离散格子上求解玻尔兹曼输运方程,易于处理多相流及大变形问题,特别适合模拟柔性颗粒在介电泳分离过程中的变形情况.另一方面,介电泳分离过程的模拟需求解流体、电场和微粒运动方程,计算量相当庞大,通过有限单元法求解介电泳力,提高计算效率.利用这种多尺度耦合计算方法,对一款现有的介电泳芯片分离过程进行了模拟.分析了微粒在电场作用下产生的介电泳力,揭示了介电泳力与电场变化率等因素之间的关系.对微粒运动轨迹及其变形的情况进行了研究,发现微粒的变形主要与流体剪切作用有关.这种多尺度耦合计算方法,为复杂微流体的计算提供了一种有效的解决方案.      

气固两相流介尺度LBM-DEM模型

LBM-DEM耦合方法通常是指一种颗粒流体系统直接数值模拟算法,即是一种不引入经验曳力模型的计算方法,颗粒尺寸通常比计算网格的长度大一个量级,颗粒的受力通过表面的粘性力与压力积分获得,其优点是能描述每个颗粒周围的详细流场,产生详细的颗粒-流体相互作用的动力学信息,可以探索颗粒流体界面的流动、传递和反应的详细信息及两相相互作用的本构关系,但其缺点是计算量巨大,无法应用于真实流化床过程模拟。本文针对气固流化床中的流体以及固体颗粒间的多相流体力学行为,建立了一种稠密气固两相流的介尺度LBMDEM模型,即LBM-DEM耦合的离散颗粒模型,实现在颗粒尺度上流化床的快速离散模拟。该耦合模型采用格子玻尔兹曼方法(LBM)描述气相的流动和传递行为,离散单元法(DEM)用于描述颗粒相的运动,并利用能量最小多尺度(EMMS)曳力解决气固耦合不成熟问题,以提高其模拟精度。通过经典快速流态化的模拟,验证了介尺度LBM-DEM耦合模型的有效性。模拟结果表明介尺度LBM-DEM模型是一种探索实验室规模气固系统的有力手段。     

浸没边界-简化热格子Boltzmann方法研究及其应用

针对流固耦合传热问题,本文提出了一种基于浸没边界-简化热格子玻尔兹曼方法(immersed boundary method-simplified thermal lattice Boltzmann method,IB-STLBM)的耦合模型.不同于传统的格子玻尔兹曼方法使用分布函数演化流场和温度场,简化热格子玻尔兹曼方法(simplified thermal lattice Boltzmann method,STLBM)的演化过程不需要依赖分布函数,只涉及平衡态分布函数和非平衡态分布函数,能够直接演化宏观量,极大减小了计算过程中所占用的虚拟内存,简化了边界条件的实现方式,同时具有较高的稳定性.传统的浸没边界法对流场的计算采用欧拉网格,对固体边界采用拉格朗日网格,认为固体边界是对流场产生某种体积力.在应用浸没边界法时,汲取介观的思想,把固体的介入看作是对流场的干扰,打破了固体附近流体介观微团颗粒原始的平衡状态,这种干扰可以看作是在耦合边界上产生的一个非平衡项,可用非平衡态分布函数来表示.基于此,在模型中浸没边界法与简化热格子玻尔兹曼方法更紧密联系在一起,更大程度发挥二者的优点,整个计算过程更加简单直观,符合物理特性.通过对热圆柱绕流和内含热颗粒的封闭方腔自然对流问题的模拟以及对其结果的分析,验证了该算法在求解流固耦合传热问题的有效性和可行性.      

浸没边界–简化热格子Boltzmann方法研究及其应用

针对流固耦合传热问题,本文提出了一种基于浸没边界–简化热格子玻尔兹曼方法 (immersed boundary method–simplified thermal lattice Boltzmann method,IB-STLBM)的耦合模型.不同于传统的格子玻尔兹曼方法使用分布函数演化流场和温度场,简化热格子玻尔兹曼方法 (simplified thermal lattice Boltzmann method,STLBM)的演化过程不需要依赖分布函数,只涉及平衡态分布函数和非平衡态分布函数,能够直接演化宏观量,极大减小了计算过程中所占用的虚拟内存,简化了边界条件的实现方式,同时具有较高的稳定性.传统的浸没边界法对流场的计算采用欧拉网格,对固体边界采用拉格朗日网格,认为固体边界是对流场产生某种体积力.在应用浸没边界法时,汲取介观的思想,把固体的介入看作是对流场的干扰,打破了固体附近流体介观微团颗粒原始的平衡状态,这种干扰可以看作是在耦合边界上产生的一个非平衡项,可用非平衡态分布函数来表示.基于此,在模型中浸没边界法与简化热格子玻尔兹曼方法更紧密联系在一起,更大程度发挥二者的优点,整个计算过程更加简单直观,符合物理特性.通过对热圆柱绕流和内含热颗粒的封闭方腔自然对流问题的模拟以及对其结果的分析,验证了该算法在求解流固耦合传热问题的有效性和可行性.     

突扩管流中微米颗粒分离效率的研究

助欧拉和拉格朗日方法数值模拟了突扩微尺度管道流中微米颗粒的分离情况. 在采用有限体积法求解电荷密度场、电场和流场的基础上,通过基于改进的Langevin方程研究了微管道中不同位置处的微米颗粒在水动力和介电电泳力综合作用下的运动轨迹. 研究发现:电渗流的驱动能力随着扩张比(ER)的增加而提高,然而其提高的趋势逐渐变小;当微米颗粒仅在水动力作用下时,随着ER的增加,颗粒之间的有效分离距离(ESL)随之线性增加,此时ESL与ER的比值约为5.9; 若是考虑介电电泳力对于微米颗粒运动的影响, ESL与ER的比值下降为4.79, 由此可以看出介电电泳力对突扩微管道流中的微米颗粒的分离效果有着一定的负面影响. 上述结论对于基于介电电泳技术设计的生物粒子分离芯片的优化设计有很大价值.      

颗粒流体系统的格子Boltzmann数值方法研究进展

介绍Euler-Lagrange框架下基于格子Boltzmann方法LBM (Lattice Boltzmann Method)发展的两种不同层次(即不同时-空尺度和精度)的颗粒流体系统离散模拟方法,即格子Boltzmann颗粒解析直接数值模拟(LB-based PR-DNS)方法和格子Boltzmann离散颗粒模拟(LB-based DPS)方法,总结了Euler-Euler框架下基于格子Boltzmann双流体模型(LB-based TFM)方面的探索研究。LB-based PR-DNS方法中颗粒尺寸远大于格子步长,能够直接解析出流体在颗粒表面的流动以及颗粒所受完整的动力学信息;LB-based DPS方法中格子步长远大于颗粒直径,其在计算精度、时间耗费和计算效率之间能达到很好的平衡,可获得流体的宏观平均流动及颗粒的运动轨迹信息。LB-based DNS和DPS是探索颗粒流体系统的有力手段,但LB-based TFM应用于模拟颗粒流体系统仍需进一步探索。     

考虑热流固耦合作用的多孔介质孔隙尺度两相流动模拟

为了研究深层油气资源在岩石多孔介质内的运移过程, 使用一种基于Darcy-Brinkman-Biot的流固耦合数值方法, 结合传热模型, 完成了Duhamel-Neumann热弹性应力的计算, 实现了在孔隙模拟多孔介质内的考虑热流固耦合作用的两相流动过程. 模型通过求解Navier-Stokes方程完成对孔隙空间内多相流体的计算, 通过求解Darcy方程完成流体在岩石固体颗粒内的计算, 二者通过以动能方式耦合的形式, 计算出岩石固体颗粒质点的位移, 从而实现了流固耦合计算. 在此基础上, 加入传热模型考虑温度场对两相渗流过程的影响. 温度场通过以产生热弹性应力的形式作用于岩石固体颗粒, 总体上实现热流固耦合过程. 基于数值模型, 模拟油水两相流体在二维多孔介质模型内受热流固耦合作用的流动过程. 研究结果表明: 热应力与流固耦合作用产生的应力方向相反, 使得总应力比单独考虑流固耦合作用下的应力小; 温度的增加使得模型孔隙度增加, 但当注入温差达到150 K后, 孔隙度不再有明显增加; 温度的增加使得水相的相对渗流能力增加, 等渗点左移.      

NUMERICAL SIMULATION OF DRAG REDUCTION CAUSED BY PATTERNED WALL

用加入近邻相互作用势的格子玻尔兹曼方法模拟了表面修饰了去润湿性颗粒的二维管道内流体的流动. 结果显示,管壁的粗糙度、修饰颗粒的润湿性、管内压强以及管内流体黏滞性等都是影响管内流体流速的因素. 在一定压强下,管壁修饰疏水性的颗粒可以明显减小阻力,模拟结果也解释了开采地下油藏时存在启动压力梯度的原因.     

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.      

水底管道抛石加固过程的DEM-SPH耦合分析

水底管道的抛石加固过程是典型的颗粒-流体耦合问题.采用DEM-SPH耦合方法模拟颗粒-流体系统,其中离散元方法(DEM)用于模拟落石,光滑粒子流体动力学方法(SPH)用于模拟流体.通过三维Voronoi切割算法生成不规则形状的多面体,并基于闵可夫斯基原理构造扩展多面体形态的落石单元.通过SPH的边界排斥力模型计算颗粒与流体间的作用力,从而建立DEM-SPH耦合方法.采用该方法模拟溃坝与楔形块入水的过程,将计算结果与试验结果及其他数值结果进行对比分析,分别验证了 SPH与DEM-SPH耦合方法的合理性.建立锥形结构模拟卸料斗和水底管道,采用DEM-SPH耦合方法模拟落石通过卸料斗入水并与水底管道相互作用的过程,确定了落石和水对管道的作用力,并分析了卸料斗静止与运动时的落石堆积情况.以上研究表明,DEM-SPH方法可有效模拟颗粒材料、水和工程结构的相互作用,可进一步应用于水下抛石过程的结构和参数设计.     

徐州矿区采空塌陷区公路工程地质灾害与防治对策分析

采用格子Boltzmann方法模拟可变形膜与周围流体的相互作用. 分析了格子Boltzmann 方法中的边界处理方法和边界受力的计算方法，并且用此方法计算流场中可变形膜的受力. 可将离散化后的膜看作一系列的质点，从而得到膜的动力学方程. 将可变形膜在流场中受到 的力引入方程中，可以计算膜的变形. 求解了几种不同情况下，膜的形状随时间的变化. 发现，如果可变形膜非常软或者非常硬，经过足够长的时间后，膜的形状会接近一 条直线，即回到初始状态. 模拟过程是二阶精度的.     

基于格子Boltzmann方法的电流变液动力学建模及数值模拟

电流变悬浮液内部结构对外电场的快速响应发生在指定的控制空间中,在这一特指的时间和空间尺度上电流变悬浮液的物理行为特征主要为剪切速率低和流动阻尼大,即Mach和Reynolds数一般不大,可以视为微尺度流动来加以研究。针对这一流动特征,基于介观动理论的格子Boltzmann方法,建立了电流变悬浮液两相流动的离散颗粒运动模型,通过该模型进行了动力学模拟,结果表明,该模型解决了分子动力学模型难以描述的因颗粒运动造成局部流场流变特性改变的难题,以及该流场双向耦合过程中对颗粒运动的影响。     

LBM-DEM四向耦合喷动床内介尺度模拟与分析

研究喷动床内颗粒的流动特性对于喷动床的设计和优化具有重要意义。基于气固两相流流动的LBM-DEM四向耦合模型,对单孔射流喷动床中颗粒的流动进行数值模拟。其中,气相采用修正的格子玻尔兹曼方法,颗粒相采用离散单元法,流固之间受力的双向耦合基于牛顿第三定律,颗粒与颗粒及颗粒与壁面的受力双向耦合采用软球模型。模拟得到了流化过程、颗粒与气体的速度分布、床层膨胀高度变化以及床宽对流化过程的影响。结果表明,喷动床内存在强烈的内循环,床宽增加导致颗粒运动能力减弱,射流速度增加使颗粒运动更加剧烈,床层膨胀高度增加。     

多相流动的光滑粒子流体动力学方法研究综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)具有粒子方法的无网格和全拉格朗日特征, 适用于具有界面大变形、不连续性和多物理场的多相流的高精度模拟. SPH方法模拟多相流已有大量报道, 具体的实现方式也大不相同. 本文首先阐述了采用SPH方法模拟流体的基本控制方程, 以及求解过程中需要考虑的流体压力求解、表面张力、固体边界等问题. 整理和总结了基于SPH方法进行多相流模拟的主要实现方式: (1)双流体模型的拉格朗日求解器: 两相离散为两组独立SPH粒子, 并用显式相间作用耦合两相; (2)多相SPH方法: SPH方法对多相流模拟的自然延伸, 相间作用由SPH参数隐式描述; (3) SPH与其他离散方法的耦合: 差异较大的两相各自采用不同离散方法, 发挥不同拉格朗日方法的优点; (4) SPH和基于网格方法的耦合: 网格方法处理简单的单相流动主体, 获得精度和效率间的平衡. 另外, 还在模拟参数物理化等方面论述了与SPH方法模拟多相流相关的一些改进和修正方法, 并在最后讨论和建议了提高多相流SPH模拟效率和精度的措施.      

LBM-DEM四向耦合喷动床内介尺度模拟与分析

研究喷动床内颗粒的流动特性对于喷动床的设计和优化具有重要意义。基于气固两相流流动的LBMDEM四向耦合模型,对单孔射流喷动床中颗粒的流动进行数值模拟。其中,气相采用修正的格子玻尔兹曼方法,颗粒相采用离散单元法,流固之间受力的双向耦合基于牛顿第三定律,颗粒与颗粒及颗粒与壁面的受力双向耦合采用软球模型。模拟得到了流化过程、颗粒与气体的速度分布、床层膨胀高度变化以及床宽对流化过程的影响。结果表明,喷动床内存在强烈的内循环,床宽增加导致颗粒运动能力减弱,射流速度增加使颗粒运动更加剧烈,床层膨胀高度增加。     

单组分多相系统驱替过程的格子Boltzmann模拟

结合格子Boltzmann方法中的Shan-Chen单组分多相模型,引入流体相间的内聚力和流体与 固体壁面间的黏附力,对二维孔隙网格中非浸润气相驱替完全浸润液相的过程进行模拟,流 体相间的交界面自然形成,整个驱替过程属于毛细指进. 随着毛细数的增加,黏性力的主导 作用增强,使得气相入侵的孔隙尺度减小,因此驱替形态随毛细数的不同有很大差别. 在微 重力的作用下,整个驱替过程受毛细力、重力和黏性力的共同作用,重力起到了稳定交界面 避免窜流的作用.     

耗散粒子动力学模拟方法的发展和应用

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)模拟方法是一门新兴的介观尺度数值模拟技术,是研究复杂物系介观结构的一种重要手段,也是联系宏观尺度和微观尺度的重要模拟方法之一.首先介绍DPD模拟方法的提出和它的发展过程;接着从DPD的理论模型、数值积分方法、参数的选择以及模拟系统与真实系统之间的映射关系4个方面介绍DPD的方法体系;然后介绍DPD模拟方法在复杂流体中的应用情况,具体包括多相流的聚集、微相分离和液滴的变形、破碎以及微通道内的流动等;最后, 对此领域的发展方向进行了预测分析.      

A Bridging Scale Method for Multi-scale Analysis of Granular Materials

本文提出了耦合细尺度上基于离散颗粒集合体模型的离散单元法（DEM）和粗尺度上基于Cosserat连续体模型的有限元法（FEM）的连接尺度方法（BSM）以研究颗粒材料的力学行为。采用Cosserat连续体模型和FEM模拟的粗尺度域覆盖全域,而采用离散颗粒集合体模型的DEM模拟的细尺度域仅限于需特别关注材料微结构演变和非连续变形行为的局部区域。对这两个区域间的界面提出了适当的界面条件及其实施方案。通过采用适当的连接尺度投影算子,空间离散的粗、细尺度耦合系统多尺度运动方程具有解耦和允许分别求解、因而也允许分别采用不同时间步长对粗、细尺度计算的特点,可极大地提高BSM的计算效率。文中二维地基数值算例结果说明了所陈述方法的可应用性,以及相对基于Cosserat连续体模型的FEM和基于离散颗粒集合体模型的DEM的优越性。     

颗粒材料多尺度分析的连接尺度方法

本文提出了耦合细尺度上基于离散颗粒集合体模型的离散单元法（DEM）和粗尺度上基于Cosserat连续体模型的有限元法（FEM）的连接尺度方法（BSM）以研究颗粒材料的力学行为。采用Cosserat连续体模型和FEM模拟的粗尺度域覆盖全域,而采用离散颗粒集合体模型的DEM模拟的细尺度域仅限于需特别关注材料微结构演变和非连续变形行为的局部区域。对这两个区域间的界面提出了适当的界面条件及其实施方案。通过采用适当的连接尺度投影算子,空间离散的粗、细尺度耦合系统多尺度运动方程具有解耦和允许分别求解、因而也允许分别采用不同时间步长对粗、细尺度计算的特点,可极大地提高BSM的计算效率。文中二维地基数值算例结果说明了所陈述方法的可应用性,以及相对基于Cosserat连续体模型的FEM和基于离散颗粒集合体模型的DEM的优越性。      

混凝土中化学-热-湿-力耦合过程的数值方法

提出了一个火灾下混凝土中化学-热-湿-力耦合过程分析的两级数学模型. 混凝 土模型化为充满两种非混溶孔隙流体的非饱和变形多孔多相介质. 数学模型基于控制干空 气、湿份及基质溶解物的质量守恒、混凝土介质混合体的动量守恒和焓(能量)守恒的耦合 偏微分方程组. 模型中特别考虑到了高温下的脱盐过程. 构造了一个用于数值模拟 化学-热-湿-力耦合行为的有限元求解过程的混合弱形式. 并且针对其中具有非自伴随算子特性的 双曲线控制方程的空间离散进行了特殊考虑. 数值结果例题显示所发展的数学模型和数值方 法在重现火灾条件下的混凝土中化学-热-湿-力耦合行为的有效性.