颗粒流体系统的宏观拟颗粒模拟

拟颗粒模拟（pseudo-particle modeling,PPM）是一种粒子方法（PM）,提出于1996年,虽然它很适合微观颗粒流体系统的模拟,但在实际系统中的应用却受到计算量的严重限制。结合加权平衡和有限差分等手段将粒子间作用提升到符合Navier-Stokes(N-S）方程的流体微元尺度,进一步提出了宏观拟颗粒模拟（MaPPM）,应用此模型,模拟了一维Poiseuille流,并通过与另一相关PM－－光滑粒了流体力学（SPH）的定量比较,说明了其优越的精度与计算效率,在单颗粒绕流、双颗粒沉降和多颗粒流化的模拟中也获得了合理的曳力系（CD）和原PPM未能获得的细胞的瞬时流场,并显示了良好的收敛性和稳定性。     

气固两相流动中颗粒扩散的转捩现象

不引入任何湍流模型, 采用有限容积方法对三维气固两相湍流射流进行了直接数值模拟, 着重考察湍流结构的转捩行为对不同Stokes数颗粒扩散的影响. 为了得到高精度的结果, 同时降低计算量和存储量, 对气相流体控制方程组的求解采用分步投影算法, 对时间积分采用低存储、三阶精度的Runge-Kutta积分格式; 对颗粒控制方程的求解在拉格朗日框架中进行. 流场的统计结果与相关的实验数据吻合良好, 证实了数值算法的可靠性. 对颗粒扩散的研究发现, 展向涡结构对颗粒扩散的影响比较突出. 而在流场的演化过程中, 观察到颗粒扩散的新行为, 即中、小Stokes数的颗粒在流场中的分布出现了 “转捩”现象.     

两相流密度波不稳定性分析的一个显式判据

气液两相流密度波不稳定性的出现对水冷反应堆、锅炉、蒸气发生器及化工设备的安全和运行均有不利影响,目前国际上流行的研究方法是直接求解动力学微分方程的时域法和频域法,它们的稳定性判据均属“隐式”,不利于研究不稳定性的产生机理,寻找克服不稳定性的途     

考虑非弹性碰撞的低浓度固液两相流动理学模型

用修正的BGK模型模拟粒间非弹性碰撞效应, 用Fokker-Planck扩散算子描述湍流-颗粒作用, 建立了低浓度固液两相流颗粒相的模型动理学方程和宏观水动力学方程组. 运用 Chapman-Enskog迭代法获得动理学方程的二阶近似解, 建立了颗粒相脉动应力和脉动能传导通量的显式本构关系. 建立的动理学模型在颗粒近乎弹性条件下简化为已有的模型, 为固液两相流模拟提供了一个实用模型.     

多孔介质中两相不可压流驱动问题的新数值方法及理论分析

多孔介质中渗流驱动问题的一般数学模型是关于压力和浓度的耦合非线性偏微分方程组.本文考虑不可压二相流驱动问题,采用一种新的数值方法求解浓度方程,建立了可显式计算的数值格式,即在每个离散时间层上直接给出近似解的显式表达式,克服了用有限元或差分法进行数值计算时必须解大型代数方程组的困难.由于求解是显式的,容易实现并行计算,计算格式是无条件稳定的.文中给出近似解的最优阶误差估计和格式的稳定性分析.1 数值格式考虑二相不可压混溶流(对不混溶情况可完全类似地讨论)驱动问题的初边值问题其中Ω=(a_1,b_1)×(a_2,b_2)是R~2中的有界矩形区域.J=(0,T],p是压力,u=(u_1,u_2)是Darcy速度,c是一相流体的浓度,φ是岩石的孔隙度,是扩散矩阵,n是(?)Ω单位外法向量,其余参数的物理意义见文献[1～6].相容性和唯一性条件分别是     

中国微重力流体科学的空间实验研究

微重力流体物理是微重力科学的重要组成部分, 包括简单流体的许多新体系、气/液两相流动和传热以及复杂流体力学. 微重力流体物理除其本身学术和应用的重要意义外, 还与微重力燃烧学、空间生物技术和空间材料科学密切结合, 促进了交叉学科的发展. 利用我国返回式卫星和神舟飞船, 进行了一批微重力科学的空间实验, 使我国微重力科学迅速进展. 本文主要介绍近10年来我国微重力流体科学的空间实验研究和主要学术成果.     

微重力下的两相流动和传热及其研究方法

本文对微重力下的两相流动中的几个基本问题、两相流动的主要流型进行了一定的综述，并对微重力下的气液两相流动传热规律的研究方法进行了小结。     

纳米颗粒表面活性剂对多孔介质中黏性指进现象的抑制

多孔介质中不稳定的两相驱替会导致黏性指进现象,对实际工业中的两相流动过程产生不利影响.已有文献证明水相中的表面功能化纳米颗粒和油相中的功能化基团聚合物可以在油水界面发生反应生成纳米颗粒表面活性剂,降低界面张力并诱发界面黏弹性.本文提出使用纳米颗粒表面活性剂抑制多孔介质中黏性指进的新方法,通过微流体可视化实验,研究了纳米颗粒表面活性剂对多孔介质中驱替界面特性的影响规律.结果表明,纳米颗粒表面活性剂可以有效抑制多孔介质中的黏性指进现象,驱替效率对比纯水纯油提高了约2.5倍.通过分析基于不同毛细数与黏度比下的驱替模式分布相图,得到了多孔介质中纳米颗粒表面活性剂稳定驱替和黏性指进两种驱替模式的转变界限,证明纳米颗粒表面活性剂驱替对比纯水纯油大幅提高了黏性指进出现的临界毛细数和黏度比,在不同的参数范围内对黏性指进都有显著的抑制作用,为多孔介质中黏性指进的抑制提供了新的思路.     

颗粒流体系统的非线性特征和分支现象

颗粒流体系统的主要特征在于其非均匀的时空动态结构及其随操作条件改变出现的突变行为.由于非线性非平衡系统不存在普适的稳定性判据,因此,寻求非线性颗粒流体系统自身特定的稳定性条件及其变化规律是实现这一系统定量化的关键.垂直并流向上的颗粒流体系统随流体对颗粒控制能力的增加,可依次出现颗粒控制     

两相不可压缩流驱动问题混合元与特征线修正方法及其最佳误差估计

多孔介质中多种流体的驱动问题在生产和工程技术的许多部门和领域具有十分重要的意义。近年来,Douglas,Ewing和袁益让等人提出了一类混合元与特征线修正耦合的数值模拟方法,但其应用上的广泛适用性和理论上的最佳有效性未彻底解决。本文研究一般两相不     

数值分析螺杆槽道内气液两相流液相分布及压降特性

主要利用数值模拟对螺杆槽道内气液两相流的液相分布和压降特性进行研究,数值模拟结果和已经取得的试验结果进行了对比,结果表明:本文采用的数值模型具有很好的预测结果.数值模拟主要通过改变螺杆槽道的节圆直径、入口截面含液率以及流体运动速度,获得相应条件下的压降及液相分布特性.减小螺杆槽道节圆直径或者增加入口截面含液率可以增加外壁面的液相含量,同时引起压降的增加.根据数值模拟结果,并考虑螺杆节圆直径和流体入口含液率的影响,拟合得到螺杆槽道内气液两相流的摩擦压降计算关系式.     

颗粒流体系统的非线性行为及其计算机仿真

<正> 1 学科概述1.1 定义和分类 自然界中气、液态物质统称为流体,固态物质在物理和化学加工过程中通常都以颗粒形态存在,并在流体介质中进行。因此颗粒流体系统是自然界中极为普遍的现象。颗粒流体两相流是研究颗粒流体系统中颗粒与流体之间相互作用规律的科学,尽管其研究对象普遍存在,但却是一个很不成熟的学科。 颗粒流体两相流按颗粒浓度分为稠密两相流和稀疏两相流。稀疏两相流中的颗粒均匀分布于流体中,分析比较简单,因而也较成熟。稠密两相流(如流态化)以颗粒在流体中的不     

具有毛细出口的竖直玻璃管中的颗粒物质卸料过程

在一个下端具有毛细出口, 顶端为开口的竖直玻璃管中, 当颗粒堆积高度远高于某个阀值时, 颗粒出口流量呈现相当大的波动, 并且管中瓶颈以上的整体颗粒流动为走走停停波; 而当堆积高度降低到接近这个阀值时, 经过一个过渡阶段, 颗粒出口流量逐渐变缓和, 并且管中的颗粒流动也变平稳. 测量了颗粒上表面的下滑速度变化, 并且提出一个考虑颗粒压实和间隙流体效应的理论来解释这种走走停停波的出现和消失过程.     

基于时驱硬球算法与格子玻尔兹曼方法的颗粒流体系统直接数值模拟

实现了一种直接数值模拟颗粒流体系统的耦合算法, 颗粒间相互作用由时驱硬球算法描述, 而流体的控制方程采用格子玻尔兹曼方法求解, 流固耦合用浸入运动边界法实现.该方法使用欧拉网格求解流场, 拉格朗日网格跟踪颗粒, 避免了非结构化贴体网格方法需要重新划分网格的问题. 通过模拟两个圆形颗粒在黏性流体中的沉降过程, 成功地复现了经典的Drafting-Kissing-Tumbling(DKT)过程, 验证了耦合算法的有效性.     

Bingham流体阵性流动立面二维计算及分析:阵流速度、形态和床面阻力

通过立面二维计算,研究了Bingham流体阵性流动向充分发展状态过渡的过程,在较宽的参数范围内给出了充分发展状态下的无量纲阵流速度U*,以及它对倾角v,无量纲径流量Q*和黏度μ₀*的依赖关系.对一个典型算例,显示了阵性流的波动特征和充分发展状态阵性流所具有的急流形态,分析了重力和床面阻力的沿程分布,以及流场的速度分布.     

回转筒颗粒表面流的分子动力学模拟和连续理论

在考虑颗粒非弹性接触、滑动摩擦和滚动摩擦基础上发展了分子动力学模拟的算法, 实现了中高速(Fr = 0.1~0.2)回转筒内颗粒流的离散模拟. 回转筒内颗粒流由表面活性层和下部柱塞流区组成, 颗粒在活性层的停留时间约为柱塞流区的1/3~1/2, 对称线上活性层和柱塞流区的厚度比为0.57~0.61, 因而推断颗粒流动处于Rolling-Cascading过渡模式. 对称线上MD模拟的速度分布与正电子放射性测量实验结果十分吻合. 在模拟和实验结果基础上发展了连续理论: 柱塞流区内颗粒运动并非完全随着筒壁刚体转动, 而是存在着塑性蠕变, 这种速度变化过程符合指数函数规律; 而活性层内颗粒流动则符合简单的Couette切变流动分布. 最后探讨了颗粒温度和颗粒相对浓度分布的内在机理.     

化学混沌的随机模拟研究

化学反应的完整描述包含反应物质分子数的平均值和围绕平均值的涨落两部分.在通常情况下,分子数的平均值或浓度由宏观速率方程描述,而涨落则因为很小而被忽略.然而当体系接近不稳定分支点时,涨落将变得反常地大,涨落和平均值可达到相同的量级,中心极限定理和大数定理失效.在这种情况下,宏观决定性方法失效,必须采用微观或介观方法描述.化学混沌作为一种新的化学不稳定性,其内部分子涨落如何?宏观方程是否还能真实地描述微观反应过程呢?本文用Monte Carlo随机模拟方法对Willamowski-Rossler化学混沌这一具体模型进行了数值     

Stockmayer流体气液相图的计算机模拟

提出粒子交换分子动力学模拟方法(particle exchange molecular dynamics, PEMD), 可以用来得到各种流体气液平衡相图. PEMD中有两个相互耦合的模拟箱, 具有恒定总粒子数、总体积, 粒子在两个模拟箱的转移由两箱粒子化学势之差驱动. 最终两个模拟箱拥有相同压强、温度及粒子化学势, 从而实现热力学平衡. 进而利用PEMD研究了极性Stockmayer流体的气液相平衡. 讨论了极性变化对相图的影响, 预测了临界点. 与Gibbs Ensemble Monte Carlo结果相比较, 发现两者符合得很好.     

颗粒凝并动力学MonteCarlo方法的高效GPU并行计算

Monte Carlo(MC)方法作为一种求解颗粒群平衡方程(PBE)的有效方法(PBMC),由于它对多维问题的适应性、符合实际颗粒动力学特征的离散和随机本质、程序结构相对简单、易于编程实现等优点受到人们持久、普遍的关注.但在涉及到颗粒凝并问题时,常规的PBMC方法计算代价较高,与模拟颗粒数目的平方成正比,限制了其工程应用.并行计算技术的快速发展,特别是近年来NVIDIA公司提出的计算统一设备架构(CUDA)为PBMC的快速高效模拟提供了一个良好的平台.本文在CUDA平台上实现了颗粒凝并动力学PBMC的图形处理器(GPU)并行计算(分别实现了累计概率法和接受-拒绝法选择凝并对)及中央处理器(CPU)的协同处理,与目前广泛运行于CPU的串行计算相比,取得了精确的计算结果和非常明显的加速,计算代价仅与颗粒数目成正比,在当前主流GPU/CPU设备上能够达到上百倍的加速比.