燃料抛撒成雾及其燃烧爆炸的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟研究

燃料在炸药爆炸驱动下形成燃料空气爆炸云团, 进而引燃爆炸, 对目标造成毁伤. 本文在前期提出的光滑离散颗粒流体动力学方法(SDPH)的基础上, 引入描述炸药由爆轰到膨胀整个过程的Jones-Wilkins-Lee状态方程及描述气体快速燃烧过程的EBU-Arrhenius燃烧模型, 建立了求解战斗部起爆、燃料抛撒和燃料二次引燃爆炸问题的新型SDPH方法. 设计了圆环形燃料颗粒在炸药爆炸驱动下运动抛撒的算例进行数值验证, 结果与理论相符; 对燃料空气炸药(FAE)云雾的形成和发展过程进行了数值模拟, 分析了云雾的形态, 并与实验结果进行对比, 符合较好, 同时分析了不同起爆方式对云雾团成型的影响; 最后, 在云雾团成型的基础上, 引入蒸发燃烧模型对FAE的燃烧爆炸过程进行了模拟研究. 结果表明, 本文建立的数学模型和计算方法可以较好的模拟燃料空气炸药抛撒成雾及云雾燃烧爆炸过程, 为该类武器装备的设计研究提供了较好的数值方法.     

气固两相三维圆柱绕流的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟(DNS)方法研究了气周两相三维圆柱绕流的涡量场和颗粒扩散,并着重讨论了圆柱绕流中卡门涡街的形成和涡结构的转捩过程。同时分析了圆柱绕流中不同Stokes数的颗粒在涡结构作用下的横向扩散。结果显示Stokes数为1的颗粒主要分布在流场大尺度涡结构的外边界,而Stokes数为0．01的颗粒在涡结构的作用下,在流场中充分混合。     

拟涡位移模型及气粒两相流动数值模拟

本文首先用离散涡方法对绕圆柱和半无限长平板的流动作了数值模拟。在讨论粒子和涡团耦合运动的基础上首次提出了粒子在流场中运动的拟涡位移模型，并对几个典型的气粒两相流动作了数值模拟。文章最后对流场中粒子运动的瞬时状态作了统计处理，得到了关于粒子在流场中分布的概率密度函数和粒子脉动速度的分布函数并用拟涡位移模型对壁面附近粒子的运动－沉积和反弹作了数值模拟。计算结果是令人满意的。     

板式蒸发式冷凝器气-液两相流流动的数值模拟

基于VOF算法,建立了波纹板蒸发式冷凝器的计算模型,考察了气相、板面结构和喷淋水量对液膜流动的影响.结果表明:当空气与水逆流时,会引起雾沫挟带,水膜厚度增加;当空气与水顺流时,水膜厚度会被空气削薄;波纹板结构对液膜的流动形式有重要影响,尺寸较大、凹槽较浅的波纹板有利于水膜的均匀分布;液膜的厚度随着喷淋水量的增大而增加,同时液膜内部振荡加剧,但不影响其流动结构.     

空间发展湍流气粒两相平面混合层的大涡模拟与统计

本文对空间发展的湍流气固两相平面混合层流动进行了大涡模拟研究,其中气相亚网格尺度（SGS）使用结构函数模型,气相控制方程组采用SIMPLE方法求解,固体颗粒运动用拉格朗日方法计算。计算结果正确重现了流体涡结构的卷起、合并和破碎过程,以及小尺寸颗粒在涡边缘（低涡度区）的局部富集现象。对直径分别为42μm、72μm和135μm分别进行了模拟,并将统计结果和实验测量结果（Hishida　et　al[1]）比较,表明两者的平均速度吻合很好,但颗粒数密度和脉动速度存在较明显的差异,因此有必要对亚网格应力和颗粒之间的耦合作用以及拟序结构的三维性对颗粒运动的影响开展深入研究。     

三维槽道两相流颗粒运动的大涡模拟

利用基于动态粘性亚网格模型的大涡模拟方法,分别模拟了Reτ=180的三维槽道湍流内的三种颗粒,以及Reτ分别为180和395时的塑料颗粒的运动状况。其中气相控制方程的求解采用分步投影方法,泊松方程采用基于FFT的快速求解,颗粒的拉氏控制方程采用二阶龙格-库塔积分．模拟统计得到了流体和颗粒的平均速度、脉动速度等,不同的颗粒在流场中(特别是近壁区)表现出来了不同的行为,并再现了颗粒在壁面附近局部富集的现象．随Reτ提高,颗粒各方向上的速度脉动都有所增强．     

提升管内稠密气粒两相流动大涡模拟

本文采用双流体模型,引入颗粒动力学理论,对提升管内的稠密气粒两相流动进行了大涡模拟。采用改进的分步投影法对滤波后的方程进行显式求解,小尺度量采用Smagorinsky亚格子模式模拟。模拟结果给出的颗粒相速度分布、浓度分布与实验值基本吻合,气固两相存在速度滑移。模拟结果合理预报出了提升管内的环-核流动结构。     

两相混合层中颗粒运动的数值模拟

本文采用离散涡方法对平板混合层流动进行了数值模拟,得到了与实验完全定量符合的速度场。再用单向耦合方法模拟了混合层流场中颗粒的运动。分析了混合层流动中大尺度涡结构及Ｓｔｏｋｅｓ数对颗粒扩散的影响。与前人工作中所采用的每个时间步一个颗粒在固定的位置进入计算域的方法不同,本文中每个时间步有多个颗粒在入口处以随机的横向位置进入计算域。因此,在不需增加太多计算量的基础上,计算域中可以包含足够多的颗粒以获得较精确的统计结果。采用本文方法得到的颗粒速度场与实验结果定量符合得很好。     

气固两相圆柱绕流的直接数值模拟

本文运用谱元方法对气固两相圆柱绕流进行了直接数值模拟。在获得高精度计算流场信息基础上,进行颗粒扩散运动的研究。通过研究颗粒大小对颗粒扩散运动的影响来刻画气固两相圆柱绕流的物理特征。研究时发现,由于圆柱尾流独特的涡结构特征,颗粒在流场中心轴线附近区域的扩散机理主要是决定于吸力作用,该作用会驱使小颗粒卷吸进入圆柱尾部近壁区,甚至与圆柱后壁发生碰撞,这种扩散机理与混合层中颗粒扩散机理明显不同。     

用统一二阶矩模型模拟强旋湍流气粒两相流动的初探

本文初步探索用统一二阶矩（USM）两相湍流模型及K-ε-kp模型预报旋流数为1.5的轴向-切向进风、轴向供粉的强旋气粒两相流动，预报结果与实验的对比表明，USM模型在预报强族流动两相时平均切向速度场上优于K-ε-Kp模型，并且能够合理地给出与实验定性一致的两相湍流脉动的各向异性．     

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.     

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.     

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．     

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．     

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.     

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.     

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.     

光滑粒子动力学方法中粒子分布与数值稳定性分析

光滑粒子动力学(SPH)作为一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用于包括含多相流动界面以及移动边界的可压缩和不可压缩流体运动的研究中.通过对Poiseuille流动的深入研究,探索了SPH方法中粒子分布对计算精度的影响,揭示了一种因为粒子不规则分布而导致的数值不稳定现象.研究显示,这种数值不稳定性起源于SPH方法粒子近似过程中的不连续性.使用了一种新的粒子近似格式以确保SPH方法中粒子近似的连续性.计算结果表明,这种新的粒子近似格式对于规则和不规则的粒子分布都能得到稳定精度的结果.     

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。