双颗粒沉降的动力学分析

采用格子Boltzmann-虚拟区域方法对雷诺数范围为50≤Re≤200的双颗粒自由沉降进行了直接数值模拟。首先,研究发现双颗粒最终沉降的位置分别在通道的1/4和3/4位置附近,且与颗粒的初始间距、雷诺数以及通道宽度无关。其次,重点研究了颗粒沉降过程中所受的侧向力(与沉降方向垂直),首次揭示了侧向力的振动频率与雷诺数呈二次关系,且单颗粒的结果始终小于双颗粒的结果;研究还发现侧向力的振动频率与通道宽度近似呈幂律函数关系,且幂律指数与雷诺数有关,雷诺数越大,幂律指数的绝对值越小。最后还研究了雷诺数及通道宽度对侧向力振动振幅的影响。     

壁面约束对柱状粒子在牛顿流体中沉降影响的研究

格子Boltzmann方法(LBM)直接数值模拟了在有壁面约束的流场中柱状粒子的沉降。结果说明粒子在壁面的影响下，会离开管壁向管中心移动，移动速度先是增大，然后随着与管壁距离的增加，逐渐减小，粒子中心最后并不一定停留在管中心。随着粒子与壁面距离的增加，粒子的沉降速度将增大，可见壁面对粒子沉降有阻碍作用，平行于粒子轴线的壁面对粒子沉降的影响比垂直于粒子轴线壁面的影响大。     

密度不同的颗粒在流体中的沉降特性

采用格子Boltzmann方法(LBM)对雷诺数范围为5≤Re≤12的双颗粒沉降进行了直接数值模拟研究,主要关注颗粒之间的密度差异k对其周期性振动的影响。根据雷诺数颗粒沉降特性可以分成三个阶段,即当Re较小时,颗粒的振动幅度随k的增大而减小,当Re较大时则正好相反,介于两者之间存在一个临界雷诺数,在此雷诺数附近,颗粒的沉降同时具有以上两种特征。同时还研究了两个颗粒的稳定沉降结构以及重颗粒摆脱轻颗粒的条件。     

膨胀性非牛顿流体多孔介质流动的模拟分析

在表征体元尺度采用格子Boltzmann方法分析膨胀性非牛顿流体在多孔介质中的流动,基于二阶矩模型在演化方程中引入表征介质阻力的作用力项,求解描述渗流模型的广义Navier-Stokes方程．采用局部法计算形变速率张量,通过循环迭代得到非牛顿粘度和松弛时间．对多孔介质的Poiseuille流动进行分析,通过比较发现结果与孔隙尺度的解析解十分吻合,并且收敛较快,表明方法合理有效．分析了渗透率和幂律指数对速度和压力降的影响,研究结果表明,膨胀性流体的多孔介质流动不符合达西规律,压力降的增加幅度小于渗透率的减小幅度．当无量纲渗透率Da小于10-5时,流道中的速度呈现均匀分布,并且速度分布随着幂律指数的减小趋于平滑．压力降随着幂律指数的增加而增加,Da越大幂律指数对压力降的影响越明显．     

椭圆颗粒在剪切流中旋转特性的数值研究

研究颗粒在流体剪切作用下的运动特性是理解和预测颗粒悬浮流流动行为的关键.当流体的惯性不能忽略时,颗粒的运动往往变得非常复杂.本文采用格子Boltzmann方法对中等雷诺数下椭圆颗粒在剪切流中的旋转运动进行了模拟.首先,研究了雷诺数(0Re 170)的影响,结果表明当雷诺数低于临界值时,颗粒以周期性的方式旋转,角速度最小时对应的长轴方向随着雷诺数的增大而逐渐远离水平方向,而且这一倾角与雷诺数呈分段线性关系;当雷诺数大于临界值时,椭圆形颗粒最终保持静止状态,且静止时的转角与雷诺数呈幂函数关系,雷诺数越大,转角越小,椭圆的长轴越远离水平位置.其次,研究了椭圆颗粒的长短轴之比α(1α10)的影响,结果表明颗粒旋转的周期与α呈幂函数关系,α越大,颗粒旋转周期越小.此外,当α超过临界值时,颗粒也在水平位置附近保持静止状态,此时的转角与α也呈幂函数关系,α越大,转角越小.研究还发现,当雷诺数较大时椭圆颗粒在旋转过程中会产生过冲现象.     

并列双椭圆柱绕流的格子Boltzmann-虚拟区域方法的模拟研究

采用格子Boltzmann-虚拟区域方法对并列双椭圆柱绕流进行了模拟研究。首先,通过与并列双圆柱的结果进行对比,验证了数值方法的有效性。其次对雷诺数为200时两种间距(g=0.5a和2.0a,g为柱体表面间距,a为椭圆长轴)的情况进行了研究,考察了椭圆长轴与短轴之比,即α值对柱体升阻力系数及涡结构的影响。研究发现,与圆柱相比,对于g=0.5a椭圆柱的升阻力系数可能出现两种变化,一是升阻力随时间演化较规则,接近周期性;二是流场可能长时间偏向于其中一个椭圆柱,这些变化与α的值有关。对于g=2.0a,两个椭圆柱后的某一区域内会出现四列涡街,经过一段时间,四列涡街又会演化成两列向两侧扩张的涡街。     

尾矿颗粒沉降和分选规律研究

开展了尾矿颗粒在流体中沉降和分选规律研究。首先,对尾矿颗粒在流体中受力特征和各种力作用效果进行分析;其次,对牛顿流体中尾矿颗粒沉降和分选进行研究;再次,对宾汉浆液中尾矿颗粒沉降和分选进行研究;最后,对理论公式进行了讨论和结果验证。论文确定了尾矿颗粒在不同流体中的沉降特点,提出在浆体流动中不沉的最大粒径,推导出球形颗粒的沉降微分方程,推导出颗粒最终沉速和沉降距离,求得了颗粒水平运移距离,结果讨论验证了理论公式的正确性。     

尾矿颗粒沉降和分选规律研究1)

开展了尾矿颗粒在流体中沉降和分选规律研究。首先,对尾矿颗粒在流体中受力特征和各种力作用效果进行分析;其次,对牛顿流体中尾矿颗粒沉降和分选进行研究;再次,对宾汉浆液中尾矿颗粒沉降和分选进行研究;最后,对理论公式进行了讨论和结果验证。论文确定了尾矿颗粒在不同流体中的沉降特点,提出在浆体流动中不沉的最大粒径,推导出球形颗粒的沉降微分方程,推导出颗粒最终沉速和沉降距离,求得了颗粒水平运移距离,结果讨论验证了理论公式的正确性。     

悬浮颗粒运动的格子Boltzmann数值模拟

将固体颗粒的牛顿力学和格子Boltzmann方法相结合,研究不规则形状悬浮颗粒在流场中的运动。通过受力分析,精确求得其所受合力、合力矩、合力作用中心等。提出了跟随颗粒运动的动网格计算域技术和模拟悬浮颗粒转动运动的局部数组方法及Euler-Lagrange两套坐标技术。通过对椭圆颗粒运动的数值模拟和对照他人对矩形颗粒的研究,分析了其复杂运动规律,并提供了合理的物理解释。结果表明:运用格子Boltzmann方法和上述特殊技术可以得到与有限元方法相同的模拟精度,且具有计算速度快、对复杂形状边界处理方便灵活、程序简单及特别适合大规模并行计算等优点。     

三圆形颗粒在通道中沉降运动的数值研究

主要应用浸没边界的格子玻尔兹曼方法（immersed boundary-lattice Boltzmann method, IB–LBM） 对处于不同倾斜角度通道内的三个刚体圆形颗粒在重力作用下下落的动力学特性进行了计算研究. 首先分析通道倾斜角度的影响, 结果显示当通道倾斜角处于59°90°的范围时会发生后一个颗粒超越前一个颗粒的现象. 其次, 研究了Re对颗粒沉降特性的影响, 结果表明Re 越大, 颗粒间发生聚集的时间越早. 研究还发现当3 个颗粒的直径大小不均匀时, 颗粒由大到小纵向依次排列, 或者出现中间小球直径较相邻两个小球直径大的排列情况, 均能促使颗粒加快聚集. 本文的研究结果可为环境工程及地质学中的颗粒沉降问题提供有价值的参考.      

颗粒在黏弹性流体扩张和收缩流中沉降的格子Boltzmann模拟分析

对于Oldroyd-B型黏弹性流体,本文应用格子Boltzmann方法(LBM),实现了流体在二维1:3扩张流道及3:1收缩流道中流动的数值模拟,获得了黏弹性流体在扩张和收缩流道中的流场分布．结合颗粒的受力和运动规则,基于点源颗粒模型,数值分析了颗粒在扩张流和收缩流中的沉降过程和特征,讨论了颗粒相对质量和起始位置以及雷诺数Re和威森伯格数Wi对颗粒沉降特征的影响．结果表明,颗粒相对质量和起始位置以及Re对颗粒沉降轨迹和落点影响较大,而Wi的影响则较小．     

非牛顿流体流动的格子Boltzmann方法研究进展

格子玻尔兹曼方法（lattice Boltzmann method,LBM）能够直接计算局部剪切速率并可以达到二次精度,因此在非牛顿流动数值模拟中展现出一定优势。尽管已证实LBM 对于非牛顿流动的适用性,但是LBM 需要通过即时调节BGK（Bhatnagar-Gross-Krook）碰撞项中的松弛时间来实时反映黏度改变,当松弛时间接近1/2 时,迭代会出现数值不稳定现象。该文对LBM 在非牛顿流体研究中的进展进行了总结,介绍了增加数值稳定性的方法并对结果的精度进行了比较,在此基础上对LBM 在非牛顿研究中的进一步发展进行了展望。     

用格子Boltzmann方法数值模拟混合层中旋涡的合并过程

用格子Boltzmann方法计算混合层中的流动问题。在流场的入口处加不同频率、振幅和相位的小扰动,观察混合层中旋涡的演进机理,模拟二维混合层中旋涡合并现象。在基本扰动波的基础上,又加入频率为基本波频率一半的亚谐波,得到了两个涡合并的计算结果,当加入的亚谐波频率为基本波频率的三分之一时,得到了三个涡合并的计算结果。这些计算结果与已有文献的结果基本一致,显示用格子Boltzmann方法模拟混合层问题是可行的。     

等离子熔射粉末颗粒飞行过程格子Boltzmann法仿真

为考察等离子熔射过程中粉末的飞行过程,本文在已开发的正六边形7-b it格子Bo ltzm ann(LB)方法等离子射流的温度场和速度场的计算模型基础上,采用单个颗粒加速方程,建立了一个随机算法,实现了对粉末颗粒在射流场中运动过程的仿真;计算结果通过动画演示了粉末飞行的全过程,表明初始位置越靠近射流场出口中心的粉末颗粒加速越充分,并且在射流场一定的情况下,减小粉末颗粒直径可以提高粉末速度,但会降低粉末利用率。     

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。     

非等温广义牛顿流体的无网格模拟

基于原始变量法,将RPIM推广到非等温广义牛顿流动问题的求解.为了减少未知量的个数,压力和速度采用罚函数方法耦合;同时采用积分降阶技术以保证获得满意的数值解.数值实验结果表明,采用罚函数法处理速度和压力在无网格方法中同样适用,且RPIM用于非等温广义牛顿流动问题的求解时具有易施加本质边界条件、计算精度高和收敛性较快的优点.     

固体颗粒在热对流下沉降的直接数值模拟研究

在任意拉格朗日-欧拉算法模拟等温惰性颗粒两相流的基础上,增加对能量方程的联立求解,在热对流条件下对固体颗粒在不同雷诺数下的沉降规律进行了直接数值模拟.结果表明:热对流引起了流场流动的变化和不对称,颗粒在热流体中沉降,热对流产生的力加速了冷颗粒的运动,尾部形成了涡脱落;颗粒在冷流体中沉降,热对流产生的力阻碍了冷颗粒的运动,尾部形成了羽流. 随着雷诺数的增大,颗粒经历了稳定沉降、周期性摆动到不稳定、无规则运动3个阶段.      

模拟MKDV方程的格子BGK模型

目前,格子Boltzmann方法已被广泛应用于模拟各种非线性方程.文中用D1Q4模型给出MKDV方程的带修正项的BGK型格子Boltzmann法.数值模拟与理论结果吻合很好.     

利用格子Boltzmann方法数值模拟Rayleigh-Benard对流

采用格子Boltzmann方法对较大Rayleigh数范围下的二维Rayleigh-Benard对流进行了模拟研究.引入能量分布函数,利用该能量分布函数与粒子速度分布函数耦合来求解一个热流场,能量分布函数与粒子速度分布函数和Boltzmann方程构成了一个新的双分布格子Boltzmann模型.在考虑密度随温度变化的情况下,进行数值模拟,得到了Rayleigh-Benard对流速度、温度随时间的变化规律、系统的流线和等温线分布及平均Nusselt数与Rayleigh数的之间的关系,与相关文献数据进行了对比,模拟结果非常吻合,证明了改进的双分布格子Boltzmann模型的有效性.     

牛顿流体挤出胀大模拟的网格依赖性

应用有限元法模拟了牛顿流体的挤出胀大，通过方差分析得到胀大结果具有网格依赖性．基于四边形等参单元，得到出口后首排单元沿轴向的长度和近壁处首行单元沿径向的高度显著影响牛顿流体的挤出胀大．