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相似文献
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1.
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。  相似文献   

2.
安博  孟欣雨  杨双骏  桑为民 《力学学报》2023,(10):2288-2296
传统的格子玻尔兹曼方法 (LBM),特别是基于均匀正方形网格的经典单松弛计算模型(SLBM),其算法鲁棒性和数值稳定性较差,限制了LBM的发展和应用.而网格细化策略可以有效缓解这一窘境,但是传统LBM中网格细化必然会导致计算效率骤降,计算设备要求攀高.为了解决这一问题,文章基于非均匀矩形网格结构,结合插值LBM算法的思路,在保证物面处和流动变化剧烈区域的局部网格细化以及计算精度的前提下,提出了25点拉格朗日插值LBM算法.以经典顶盖驱动方腔内流为算例,开展了包括不同网格分辨率和插值格式的对比分析研究.验证算例既包括了定常流动的数值模拟,也涉及了非定常周期性流动的求解.计算结果表明,相较于其他插值格式,拉格朗日插值格式表现优异;文章局部网格细化工作可以确保物面处及流动变化剧烈区域流动细节的捕捉;数值模拟算法可以为数值仿真提供可信的计算结果;同时大幅降低了总网格数量.因此很大程度上提升了计算效率;数值模拟方法鲁棒性较好,适用于包括定常和非定常流动的数值模拟.  相似文献   

3.
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.   相似文献   

4.
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。  相似文献   

5.
离散型湍流多相流动的研究进展和需求   总被引:2,自引:0,他引:2  
周力行 《力学进展》2008,38(5):610-622
离散型多相流动, 指气体-颗粒(气-固)、液体-颗粒(液-固)、液体-气泡、气体-液雾以及气泡-液体-颗粒等两相或三相流动. 这种类型的多相流动广泛存在于能源, 航天和航空, 化工和冶金, 交通运输, 水利, 核能等领域. 本文阐述了离散型多相流动的国内外基础研究, 包括颗粒/液滴/气泡在流场中受流体动力作用力的研究, 颗粒-颗粒, 液滴-液滴,气泡-气泡之间以及颗粒/液滴和壁面之间碰撞和聚集规律的研究, 颗粒-气体和气泡-液体湍流相互作用的研究, 和数值模拟的研究, 包括多相流动的雷诺平均模拟、大涡模拟和直接数值模拟的研究进展. 最后, 归纳了目前尚待研究的需求.  相似文献   

6.
基于ALE方法的3D充填流动模拟   总被引:1,自引:1,他引:0  
基于任意拉格朗日-欧拉方法发展了三维充填流动的数值模拟方案.该方案采用ALE方法准确地追踪移动自由面的位置并避免了网格扭曲;基于移动最小二乘曲面拟合方法提出了移动自由面上网格节点重定位方法,将充填流动的网格更新过程简化为自由面附近的局部网格重划分过程,并通过分级多面体三角剖分实现,减小了网格划分的计算量,实现了实时网格生成.给出的数值算例结果表明了该数值模型对三维充填流动模拟的有效性.  相似文献   

7.
刘春友  李作旭  王连平 《力学学报》2023,(11):2480-2503
格子Boltzmann方法作为一种高效的介观计算流体力学方法在过去20多年里得到快速发展,其相对较高的计算效率和灵活性使其可以适用于各种复杂流动的模拟.然而标准的格子Boltzmann方法只能使用均匀的直角网格,这种网格排布方式并不利于复杂流动的计算.为此,基于格子Boltzmann方法的局部网格加密算法在文献中被提出.该算法需要在局部加密的界面处将粗细网格间的分布函数转换后交换.目前分布函数的转换方式大多是在没有源项的情况下推导的,而且现存考虑源项时转换公式的推导也都是基于Chapman-Enskog展开;其推导过程相对复杂,且需要对分布函数的非平衡态部分做一阶Chapman-Enskog近似,这有可能会限制局部网格加密算法在高阶格子Boltzmann方法中的应用.文章在忽略时空离散误差的前提下,以保证连续分布函数变量以及物理松弛系数一致为基础,构建了一套规范且简洁的粗细网格间在考虑任意源项时,分布函数转换关系的推导过程,该方法不依赖于Chapman-Enskog展开以及Chapman-Enskog近似,且该方法既可以适用于单松弛碰撞模型也可以适用于多松弛碰撞模型.此外,还从理论上证...  相似文献   

8.
陈飞国  葛蔚 《力学学报》2021,53(9):2357-2373
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.   相似文献   

9.
多相流局部混合型质点网格法   总被引:1,自引:0,他引:1  
詹杰民  吴春亮 《力学学报》2005,37(3):356-362
提出模拟多相流的局部混合型质点网格法,该方法能稳定地模拟高浓度流体颗粒两相 流. 在每一个颗粒团尺度的欧拉网格下(本文称之为欧拉微元),基于Lagrangian 追踪原理,可直接估计体积内颗粒的总量,从而准确求出欧拉微元和控制容积内颗粒的 浓度(即颗粒在容积内的体积含量). 同时,假设在新的时间步下,颗粒在欧拉微元里充分 混合,形成新颗粒团. 作者对竖直和倾斜容器中单粒径颗粒沉降和竖直容器中双粒径颗粒双 峰悬浮液沉降过程进行了计算,结果与实测数据相符.  相似文献   

10.
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.   相似文献   

11.
动网格生成技术及非定常计算方法进展综述   总被引:17,自引:1,他引:16  
对应用于飞行器非定常运动的数值计算方法(包括动态网格技术和相应的数值离散格式)进行了综述.根据网格拓扑结构的不同,重点论述了基于结构网格的非定常计算方法和基于非结构/混合网格的非定常计算方法,比较了各种方法的优缺点.在基于结构网格的非定常计算方法中,重点介绍了刚性运动网格技术、超限插值动态网格技术、重叠动网格技术、滑移动网格技术等动态结构网格生成方法,同时介绍了惯性系和非惯性系下的控制方程,讨论了非定常时间离散方法、动网格计算的几何守恒律等问题.在基于非结构/混合网格的非定常计算方法中,重点介绍了重叠非结构动网格技术、重构非结构动网格技术、变形非结构动网格技术以及变形/重构耦合动态混合网格技术等方法,以及相应的计算格式,包括非定常时间离散、几何守恒律计算方法、可压缩和不可压缩非定常流动的计算方法、各种加速收敛技术等.在介绍国内外进展的同时,介绍了作者在动态混合网格生成技术和相应的非定常方法方面的研究与应用工作.  相似文献   

12.
We present a practical numerical framework for incompressible interfacial multiphase flows on unstructured grids with arbitrary and hybrid elements. The numerical framework is constructed by combining VPM (volume-average/point-value multi-moment) and UMTHINC (unstructured multi-dimensional tangent of hyperbola interface capturing) schemes. To facilitate accurate and reliable simulations for interfacial multiphase flows on arbitrary and hybrid unstructured grids, we have made the following major new efforts in this work. (1) UMTHINC scheme on prismatic and pyramidal elements to facilitate computations on hybrid arbitrary unstructured grids; (2) Consistent numerical formulation for mass and momentum transports to simulate multiphase flows of large density ratio; (3) Combined FVM-FEM for accurate solution to diffusion equation; (4) Pressure-projection formulation in consistent with the balanced-force model. Integrating all these numerical techniques effectively enhances the accuracy and robustness in interface capturing and numerical solution of multiphase fluid dynamics, which results in a numerical framework of great significance for practical applications. Numerical verifications have been carried out through benchmark tests ranging from surface tension dominant flows of small scale to large scale flows with violently-changing interfaces. Numerical results demonstrate that the present framework is robust with adequate accuracy for simulating multiphase flows in complex geometries.  相似文献   

13.
We present a simple and cost‐effective curvature calculation approach for simulations of interfacial flows on structured and unstructured grids. The interface is defined using volume fractions, and the interface curvature is obtained as a function of the gradients of volume fractions. The gradient computation is based on a recently proposed gradient recovery method that mimicks the least squares approach without the need to solve a system of equations and is quite easy to implement on arbitrary polygonal meshes. The resulting interface curvature is used in a continuum surface force formulation within the framework of a well‐balanced finite‐volume algorithm to simulate multiphase flows dominated by surface tension. We show that the proposed curvature calculation is at least as accurate as some of the existing approaches on unstructured meshes while being straightforward to implement on any mesh topology. Numerical investigations also show that spurious currents in stationary problems that are dependent on the curvature calculation methodology are also acceptably low using the proposed approach. Studies on capillary waves and rising bubbles in viscous flows lend credence to the ability of the proposed method as an inexpensive, robust, and reasonably accurate approach for curvature calculation and numerical simulation of multiphase flows.  相似文献   

14.
The efficient symmetric Gauss-Seidel (SGS) algorithm for solving the Euler equations of inviscid, compressible flow on structured grids, developed in collaboration with Jameson of Stanford University, is extended to unstructured grids. The algorithm uses a nonlinear formulation of an SGS solver, implemented within the framework of multigrid. The earlier form of the algorithm used the natural (lexicographic) ordering of the mesh cells available on structured grids for the SGS sweeps, but a number of features of the method that are believed to contribute to its success can also be implemented for computations on unstructured grids. The present paper reviews, the features of the SGS multigrid solver for structured gr0ids, including its nonlinear implementation, its use of “absolute” Jacobian matrix preconditioning, and its incorporation of multigrid, and then describes the incorporation of these features into an algorithm suitable for computations on unstructured grids. The implementation on unstructured grids is based on the agglomerated multigrid method developed by Sørensen, which uses an explicit Runge-Kutta smoothing algorithm. Results of computations for steady, transonic flows past two-dimensional airfoils are presented, and the efficiency of the method is evaluated for computations on both structured and unstructured meshes.  相似文献   

15.
高超声速气动热环境的数值计算对算法和网格的敏感度极高. 随着高超声速飞行器外形日益复杂, 生成高质量的结构网格时间成本呈指数增加, 难以满足工程应用的需求. 非结构/混合网格因具有很强的复杂外形适应能力, 为了缩短任务周期, 有必要在非结构/混合网格上开展高精度的气动热环境数值计算方法研究. 梯度重构方法是影响非结构/混合网格热流计算精度的重要因素之一. 本文通过引入多维梯度重构方法, 发展了基于常规的非结构/混合网格的高精度热流计算方法, 对典型的高超声速Benchmark算例(二维圆柱)进行了模拟, 并与气动力计算广泛采用的Green-Gauss类方法和最小二乘类方法进行了对比. 计算结果表明, 多维梯度重构方法能有效提高非结构/混合网格热流预测精度, 其鲁棒性和收敛性更好. 最后将多维梯度重构方法应用于常规混合网格的三维圆柱和三维双椭球绕流问题, 得到了与实验值吻合较好的热流计算结果, 展现了良好的应用前景.   相似文献   

16.
In this article, we describe a non‐intrusive reduction method for porous media multiphase flows using Smolyak sparse grids. This is the first attempt at applying such an non‐intrusive reduced‐order modelling (NIROM) based on Smolyak sparse grids to porous media multiphase flows. The advantage of this NIROM for porous media multiphase flows resides in that its non‐intrusiveness, which means it does not require modifications to the source code of full model. Another novelty is that it uses Smolyak sparse grids to construct a set of hypersurfaces representing the reduced‐porous media multiphase problem. This NIROM is implemented under the framework of an unstructured mesh control volume finite element multiphase model. Numerical examples show that the NIROM accuracy relative to the high‐fidelity model is maintained, whilst the computational cost is reduced by several orders of magnitude. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.  相似文献   

17.
In this paper we discuss numerical simulation techniques using a finite element approach in combination with the fictitious boundary method (FBM) for rigid particulate flow configurations in 3D. The flow is computed with a multigrid finite element solver (FEATFLOW), the solid particles are allowed to move freely through the computational mesh which can be static or adaptively aligned by a grid deformation method allowing structured as well as unstructured meshes. We explain the details of how we can use the FBM to simulate flows with complex geometries that are hard to describe analytically. Stationary and time‐dependent numerical examples, demonstrating the use of such geometries are provided. Our numerical results include well‐known benchmark configurations showing that the method can accurately and efficiently handle prototypical particulate flow situations in 3D with particles of different shape and size. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.  相似文献   

18.
基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展   总被引:1,自引:0,他引:1  
尽管以二阶精度格式为基础的计算流体力学(CFD) 方法和软件已经在航空航天飞行器设计中发挥了重要的作用, 但是由于二阶精度格式的耗散和色散较大, 对于湍流、分离等多尺度流动现象的模拟, 现有成熟的CFD 软件仍难以给出满意的结果, 为此CFD 工作者发展了众多的高阶精度计算格式. 如果以适应的计算网格来分类, 一般可以分为基于结构网格的有限差分格式、基于非结构/混合网格的有限体积法和有限元方法,以及各种类型的混合方法. 由于非结构/混合网格具有良好的几何适应性, 基于非结构/混合网格的高阶精度格式近年来备受关注. 本文综述了近年来基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展, 重点介绍了空间离散方法, 主要包括k-Exact 和ENO/WENO 等有限体积方法, 间断伽辽金(DG) 有限元方法, 有限谱体积(SV) 和有限谱差分(SD) 方法, 以及近来发展的各种DG/FV 混合算法和将各种方法统一在一个框架内的CPR (correctionprocedure via reconstruction) 方法等. 随后简要介绍了高阶精度格式应用于复杂外形流动数值模拟的一些需要关注的问题, 包括曲边界的处理方法、间断侦测和限制器、各种加速收敛技术等. 在综述过程中, 介绍了各种方法的优势与不足, 其间介绍了作者发展的基于"静动态混合重构" 的DG/FV 混合算法. 最后展望了基于非结构/混合网格的高阶精度格式的未来发展趋势及应用前景.  相似文献   

19.
In this paper, several numerical schemes are extended to obtain approximate solutions to the system of equations encountered in the analysis of multiphase mixtures of gas and particles. Both dense and dilute mixtures are studied, the gas is modelled as a perfect gas and the solid is considered incompressible. Although the tests employed throughout this work for studying the behaviour of the schemes are essentially one dimensional, the finite volume method developed permits its application to multidimensional problems in unstructured grids. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.  相似文献   

20.
Particulate flow is of great importance from both the scientific and engineering points of view. Owing to the complexity of particle-flow interactions, direct numerical simulations (DNS) of inertial particulate flow with finite-size particles have been limited to a very small number of particles, while the industrial applications involve larger numbers with many orders of magnitude. This article presents a parallel implementation of a fictitious domain method for the DNS of particulate flows. The method is thoroughly tested and its parallel performance on distributed memory clusters is evaluated on a large-scale problem. Finally, we present the results for the separation of 21,336 particles of two different densities in a viscous fluid. Although there is still a significant gap between DNS and the industrial applications, the present algorithm allows to simulate significantly large number of particles so that a meaningful statistical analysis can be performed. This will help in the development of new closure relations for the averaged models of multiphase flows.  相似文献   

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