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.     

光滑粒子动力学SPH方法应力不稳定性的一种改进方案

光滑粒子动力学方法是一种拉格朗日型无网格粒子方法,在模拟大变形和自由表面流方面具有特殊的优势,已经在工程和科学领域得到了广泛的应用．然而,长期以来,传统光滑粒子动力学方法一直受到应力不稳定性的困扰,从而限制了它的进一步发展和应用．应力不稳定性的根本原因在于应力状态与核函数的不匹配：负压状态下粒子间产生吸引力,吸引力随着粒子间距的减小而增大,导致拉伸不稳定性;正压状态下粒子间产生排斥力,排斥力随着粒子间距的减小而先增大后减小,导致压缩不稳定性．本文通过改进光滑粒子动力学方法的核函数和离散格式,使得无论在正压还是负压状态下粒子间的作用力恒为排斥力,且排斥力随着粒子间距的减小而增大,从而防止粒子聚集等现象,解决应力不稳定问题．分别使用改进前后的光滑粒子动力学方法模拟两个典型的应力不稳定算例,结果表明本文的改进方法能够有效地消除应力不稳定性．     

基于弱可压与不可压光滑粒子动力学方法的封闭方腔自然对流数值模拟及算法对比

为了对比研究弱可压光滑粒子动力学(WCSPH)方法和不可压光滑粒子动 力学(ISPH)方法在模拟封闭方腔自然对流问题时的特性, 采用粒子位移技术有效地解决了高瑞利数条件下, 拉格朗日型SPH方法模拟封闭方腔自然对流时流体域内的粒子聚集和空穴问题, 将拉格朗日型SPH 方法求解封闭方腔自然对流问题的最高瑞利数提高到了10⁶; 进而通过对比瑞利数分别为10⁴, 10⁵, 10⁶的条件下, 采用拉格朗日型WCSPH、 拉格朗日型ISPH、欧拉型ISPH三种SPH方法模拟得到的封闭方腔速度分布云图、 温度分布云图、壁面努赛尔特数分布曲线和平均努塞尔特数, 分析了三种SPH方法在模拟封闭方腔自然对流时的精度、稳定性和计算效率. 结果表明: 在低瑞利数条件下, 以上三种SPH方法都可以较好地模拟此问题, 在高瑞利数条件下, 欧拉型ISPH方法的模拟结果最为精确; 拉格朗日型WCSPH方法模拟所得结果比拉格朗日型ISPH方法模拟所得结果稍好些. 关键词： 光滑粒子动力学 不可压光滑粒子动力学 粒子位移技术 自然对流     

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.     

一种新型光滑粒子动力学固壁边界施加模型

由于Lagrange粒子法的本质, 固壁边界条件的施加一直是光滑粒子动力学方法的难点之一. 本文从固壁边界的物理原理出发, 应用多层虚粒子表征固壁边界, 提出了一种新型固壁边界施加模型. 将虚粒子看作流体的扩展, 计算中虚粒子密度保持不变, 压力、速度等参数通过对流体粒子的插值获得, 虚粒子有条件的参与控制方程的计算, 对流体的密度/压力产生影响, 通过压力梯度隐式地表征壁面与流体之间的作用强度并对流体粒子施加沿壁面法线方向的斥力作用, 防止流体粒子对壁面的穿透. 数值算例测试结果表明, 与现有固壁边界施加方法相比, 本文方法更加符合流体与固壁边界作用的物理原理, 可以简单、有效地施加固壁边界条件, 方便地应用于具有复杂几何边界的问题, 获得稳定的流场形态、规则的粒子秩序及良好的速度、压力等参量的分布.     

SPH二阶粒子近似光滑函数的充分条件及数值验证

为实现SPH二阶粒子近似,讨论光滑函数应满足的充分条件,给出对应的光滑函数形式,分析二阶粒子近似解的唯一性,并进行数值验证.结果表明：和标准SPH方法相比,在周期边界条件下,随着粒子数加密,SPH方法二阶粒子近似的L₁误差减小且L₁阶趋近2.0.     

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.     

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．     

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.     

激光辐照柱体铝靶的三维光滑粒子流体动力学仿真

在现有光滑粒子流体动力学方法基础上,提出了结合差分方法处理激光辐照边界条件的方法,并利用此方法自编程序模拟计算了功率密度为5.0109 W/cm2的强连续激光辐照铝靶时的热-力学效应,准确给出了与激光作用的边界粒子的分布和飞散情况,同时给出了不同时刻靶体的温度场,得到了温度分布规律,并对结果进行了分析。     

瑞利-泰勒不稳定问题的光滑粒子法模拟研究

提出了一种适用于模拟多相流的光滑粒子法,该方法对密度方程在交界面处的离散格式进行了修正以适应多相流所涉及的大密度比问题,在不同相粒子之间施加了很小的排斥力以防止粒子穿透交界面,并采用了最新发展的双曲型光滑函数以消除应力不稳定问题.应用该多相流光滑粒子法模拟研究了单模态和多模态瑞利-泰勒不稳定问题.通过与文献中结果的对比研究表明:在模拟瑞利-泰勒不稳定问题时,本文方法的结果明显优于文献中的大部分光滑粒子法模拟结果,与Grenier等(2009 J.Comput.Phys.228 8380)的结果相当,但本文方法比Grenier等的方法简单方便.对于单模态瑞利-泰勒不稳定问题,研究了交界面的形态,涡结构的演化过程以及贯穿深度随时间的变化关系.对于多模态瑞利-泰勒不稳定问题,研究了交界面演化过程中小尺度结构合并成大尺度结构的过程,水平方向的平均密度随高度的变化关系,以及贯穿深度随时间的变化关系.     

自由上浮气泡运动特性的光滑粒子流体动力学模拟

基于虚功原理, 在Hu X Y等和Grenier N等的研究结果基础上推导了多相流光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)控制方程, 采用精度较高的黏性力和表面张力模型, 发展了一套适用于具有大密度比和大黏性比界面的多相流SPH方法. 首先, 通过施加人工位移修正, 适当背景压力和异相界面力, 使得计算全程粒子分布相对均匀, 改善了界面处的失稳现象, 防止了异相界面处粒子的非物理性穿透; 在此基础上, 利用方形流体团振荡模型对表面张力模型进行了验证, 数值结果与解析解甚为吻合; 然后采用上浮气泡经典数值算例对比研究了不同黏性力计算方法、不同核函数的适用性以及人工位移修正的效果; 最后, 对单个气泡的上浮、变形、撕裂以及垂向两个气泡的追赶、融合等现象进行了模拟, 初步揭示了气泡上浮过程中各种有趣物理现象的细节过程和动力学机理.