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．     

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     

液滴在气固交界面变形移动问题的光滑粒子流体动力学模拟

为准确模拟液滴在气固交界面变形移动问题,对基于连续表面张力模型的表面张力光滑粒子流体动力学方法进行了改进.改进方法采用新的边界处理方式和界面法向修正方法,即将固体边界虚粒子色函数值根据液面的位置进行相应设定以保证气-液-固三相交界处流体粒子的界面法向沿接触线法线方向,引入Brackbill提出的壁面附着力边界条件处理方法,对在气-液-固三相交界处的流体粒子及部分固体边界虚粒子的界面法向进行修正,修正前后保持法向模值不变,得到了含壁面附着力边界条件的表面张力算法.模拟了受壁面附着力影响的水槽中液面的变化过程、液滴润湿壁面过程和剪切气流驱动液滴在固体表面变形脱落过程,并与流体体积函数方法进行了对比.结果表明,该方法在处理壁面附着力问题时精度较高,稳定性较好,适合处理工程中液滴在气固交界面变形移动问题.     

等直径微液滴碰撞过程的改进光滑粒子动力学模拟

运用一种改进光滑粒子动力学(SPH)方法模拟了相溶和不相溶两种情况下的等直径微液滴碰撞动力学过程. 为提高传统SPH方法的数值精度和稳定性, 采用一种不涉及核导数计算的核梯度改进形式; 为处理液滴界面张力采用修正的van der Waals表面张力模型. 通过模拟牛顿液滴碰撞聚并变形过程并与相关文献或试验结果进行对比, 验证了改进SPH 方法模拟微液滴碰撞过程的可靠性. 随后, 研究了基于van der Waals模型相溶聚合物微液滴碰撞聚并变形过程及不相溶微液滴碰撞后的反弹、分离过程, 讨论了碰撞过程中碰撞速度、碰撞角度、密度比等参数对碰撞变形过程的影响, 分析了流体桥、旋转角度等因素的变化情况. 关键词： 光滑粒子动力学 微液滴 聚合物液滴 碰撞     

微液滴动力学特性的耗散粒子动力学模拟

对传统的耗散粒子动力学方法进行了改进.改进的耗散粒子动力学方法采用了包含远程吸引力和近距排斥力的保守力势函数,从而使得用耗散粒子动力学方法模拟多相流动成为可能.应用改进的耗散粒子动力学方法,对微尺度下液滴的形成及液滴在微重力下的大幅度振荡变形进行了数值模拟.计算结果表明,改进的耗散粒子动力学(DPD)方法能够有效地描述微尺度下液滴的动力学特性,对研究复杂流体多相流动有着重要的意义. 关键词： 多相流 微液滴 耗散粒子动力学(DPD)方法 保守力势函数     

黏性液滴变形过程的核梯度修正光滑粒子动力学模拟

本文提出了一种核梯度改进光滑粒子动力学(KGC-SPH)方法,模拟了黏性液滴形变自由表面问题.首先,通过模拟等温黏性液滴拉伸和旋转变形,验证了KGC-SPH法较SPH法具有较高精度和更好稳定性,且能很好地保持总角动量守恒.其次,基于非等温van der Waals模型对平衡态圆形液滴的形成过程进行数值研究,观察到小幅度振荡现象,并给出了一种新的克服张力不稳定性的方法和一种适合KGC-SPH方法的新的表面张力处理技术.最后,研究了van der Waals液滴的周期性振荡现象,讨论了初始椭圆形液滴长短半轴比 关键词： 光滑粒子动力学 黏性液滴 van der Waals模型 表面张力     

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.     

基于不可压缩光滑粒子动力学的黏性液滴变形过程仿真

应用基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学(incompressible smoothed particle hydrodynamics, ISPH)法对黏性液滴变形过程进行了数值仿真. 对于张力失稳导致的粒子非物理簇集问题, 采用粒子移位技术加以解决. 为了验证本文ISPH 算法的精度和稳定性, 分别模拟了圆形黏性液滴的拉伸变形过程以及方形液滴的旋转变形过程, 得到了不同时刻液滴内部的压力变化特征, 准确地捕捉了液滴自由面演化过程, 并将数值计算结果与文献中的解析解进行了比较.分析结果表明, 基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学方法结合粒子移位技术, 能够有效地模拟黏性液滴变形过程, 可以得到精确和稳定的结果. 关键词： 不可压缩光滑粒子动力学 黏性液滴 自由面流动 数值仿真     

悬垂液滴研究及表面张力和润湿角测定

对光滑固体表面下悬挂的液滴进行了理论分析,建立了悬垂液滴特征尺寸R和H与液滴表面张力σL和固液界面润湿角θ之间的关系式,计算发现对于特定的ρ,σL,θ值,液滴质量m与固液界面润湿半径R、液滴高度H满足特殊的曲线关系.利用此关系可以同时测量液滴的表面张力σL以及固液界面间的润湿角θ.     

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.     

修正表面张力算法的SPH方法及其实现

在Morris提出的表面张力SPH方法基础上,通过引入CSPM方法对边界法向的计算和曲率的计算进行修正,得到表面张力修正方程组;通过半圆形算例测试方法和Morris方法在边界定位、法向计算和曲率计算等影响表面张力关键因素的求解精度,研究曲率计算中应采用的光滑长度值.模拟初始方形液滴在表面张力作用下的自然变化过程,并与M...     

Simulation of surface tension in 2D and 3D with smoothed particle hydrodynamics method

The methods for simulating surface tension with smoothed particle hydrodynamics (SPH) method in two dimensions and three dimensions are developed. In 2D surface tension model, the SPH particle on the boundary in 2D is detected dynamically according to the algorithm developed by Dilts [G.A. Dilts, Moving least-squares particle hydrodynamics II: conservation and boundaries, International Journal for Numerical Methods in Engineering 48 (2000) 1503–1524]. The boundary curve in 2D is reconstructed locally with Lagrangian interpolation polynomial. In 3D surface tension model, the SPH particle on the boundary in 3D is detected dynamically according to the algorithm developed by Haque and Dilts [A. Haque, G.A. Dilts, Three-dimensional boundary detection for particle methods, Journal of Computational Physics 226 (2007) 1710–1730]. The boundary surface in 3D is reconstructed locally with moving least squares (MLS) method. By transforming the coordinate system, it is guaranteed that the interface function is one-valued in the local coordinate system. The normal vector and curvature of the boundary surface are calculated according to the reconstructed boundary surface and then surface tension force can be calculated. Surface tension force acts only on the boundary particle. Density correction is applied to the boundary particle in order to remove the boundary inconsistency. The surface tension models in 2D and 3D have been applied to benchmark tests for surface tension. The ability of the current method applying to the simulation of surface tension in 2D and 3D is proved.     

基于范德瓦尔斯表面张力模式液滴撞击疏水壁面过程的研究

液滴撞击疏水壁面过程的研究在介观流体力学和微流体作用材料科学的研究中具有重要的理论意义和工程价值. 论文在SPH方法中引入范德瓦尔斯状态方程处理液滴表面张力, 考虑流体粒子之间远程吸引, 近程排斥的内部作用力, 提出了流体粒子与疏水壁面粒子间势能函数与表面张力相结合的作用模式. 通过模拟真空条件下两个静止的等体积液滴相互融合的过程, 验证了计算模式在模拟液滴的表面张力中的有效性. 采用该模式模拟的液滴撞击疏水壁面过程, 不仅能够有效地模拟液滴撞击壁面后的变形过程, 而且清晰地模拟出液滴的回弹、腾空以及二次撞壁现象的完整过程. 模拟结果与液滴撞击疏水壁面的实验结果以及VOF模拟结果符合较好, 表明本文所提出的表面张力和疏水壁面作用力处理模式对模拟液滴撞壁过程具有实际应用价值.     

重构核粒子法对光滑粒子法的改进效果

光滑粒子法通过核函数进行近似估计,在计算域边界附近,核估计的精度明显下降.重构核粒子法通过校正函数对核函数进行重新构造,提高核估计方法在边界点和内点上对函数的估计精度以及计算的稳定性.研究发现,虽然校正函数的构造立足于对函数的精确估计,但这个优势同样能在对导数的估计中继续保持.通过理论研究及数学、物理模型的模拟,展示重构核粒子法的改进效果,揭示其能够提高精度的原因.     

Improved kernel gradient free-smoothed particle hydrodynamics and its applications to heat transfer problems

Kernel gradient free-smoothed particle hydrodynamics(KGF-SPH) is a modified smoothed particle hydrodynamics(SPH) method which has higher precision than the conventional SPH.However,the Laplacian in KGF-SPH is approximated by the two-pass model which increases computational cost.A new kind of discretization scheme for the Laplacian is proposed in this paper,then a method with higher precision and better stability,called Improved KGF-SPH,is developed by modifying KGF-SPH with this new Laplacian model.One-dimensional(1D) and two-dimensional(2D) heat conduction problems are used to test the precision and stability of the Improved KGF-SPH.The numerical results demonstrate that the Improved KGF-SPH is more accurate than SPH,and stabler than KGF-SPH.Natural convection in a closed square cavity at different Rayleigh numbers are modeled by the Improved KGF-SPH with shifting particle position,and the Improved KGF-SPH results are presented in comparison with those of SPH and finite volume method(FVM).The numerical results demonstrate that the Improved KGF-SPH is a more accurate method to study and model the heat transfer problems.     

液滴撞击孔口附近壁面运动过程的模拟研究

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟了液滴撞击带孔壁面的问题, 提出了随计算区域变化的链表搜索法. 结合实验进一步研究了不同物理条件下黏性、重力和内部压应力波动对铺展过程中液滴在 孔口运动情况的影响, 详细分析了有限时间段内孔口断面处的压强变化. 结果表明: 液滴撞击表面后快速向两端铺展, 到达孔口上方时形成射流, 在极短暂时间内重力对射流的影响很小, 但是黏性会引起射流向孔内弯曲. 在内部压应力和惯性作用下射流下部产生有规律的波动, 使得孔口上方流体反复的膨胀和吸收将附近应力较高区域流体吸入孔内发生孔吸现象. 内部压应力是导致液滴被吸入孔内并撞击另一侧孔壁形成飞溅现象的主要原因, 模拟效果和实验结果符合良好. 关键词： 液滴 带孔壁面 光滑粒子流体动力学(SPH) 链表搜索法     

气粒两相流传热问题的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟

在气粒两相流动问题中,颗粒间以及气体与颗粒间的传热问题不可忽略.光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)模型作为一种新的求解气粒两相流动问题的方法,已经成功应用于模拟风沙运动等问题.在此基础上,提出了SDPH方法的热传导模型,模拟了气粒两相流动问题中的热传导过程以及颗粒蒸发过程.首先引入各相的能量方程,利用有限差分与光滑粒子流体动力学一阶导数相结合的方法,处理各相内部热传导项中的二阶导数问题,基于气粒两相间温度差及对流换热系数计算颗粒与气体间的热传导量,推导得到了含热传导模型的气粒两相流SDPH计算方程组,模拟计算了圆盘形颗粒团算例及鼓泡流化床内部热传导算例,并与双流体模型计算结果进行对比,结果基本符合;其次利用离散液滴模型中的颗粒蒸发传质传热定律计算颗粒的蒸发过程,数值模拟了颗粒射流蒸发过程,并与离散颗粒模型结果进行对比,两者符合得较好,验证了该方法的准确性及实用性.