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.     

光滑粒子流体动力学方法固壁处理的一种新型排斥力模型

与传统网格法相比, 光滑粒子流体动力学方法不能直接施加壁面边界条件, 这就限制了该方法在工程中的应用.为此, 本文基于Galerkin加权余量法并结合传统排斥力方法, 推导出一种新的排斥力公式来施加壁面边界条件.该方法不含未知参数, 能在不减小边界粒子尺寸的情形下有效地防止流体粒子穿透壁面, 同时可避免邻近边界的流体粒子的速度及压力振荡. 分别通过静止液柱算例、液柱坍塌算例、容器中液体静止算例及溃坝算 例来验证本文方法的有效性, 并与传统边界处理方法进行对比, 结果表明: 本文方法克服了传统方法存在的缺陷, 是一种有效的固壁边界处理方法. 关键词： 光滑粒子流体动力学法 固壁边界 排斥力 加权余量法     

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方法进出口数值边界条件研究

基于虚粒子概念,提出进出口数值边界条件处理方法.在进口边界外设置进口区域,并赋予进口虚粒子相应的物理量;出口边界外设置出口和缓冲区域,出口虚粒子的物理量由计算获得,缓冲区的虚粒子初始物理量是指定的;根据每个时间步的流动情况,改变粒子的区域属性,添加/删除相应的粒子.利用拉格朗日形式的SPH方法,通过管内流动问题验证数值进出口边界方法的适用性,研究进出口边界条件在激波管、绕流问题中的应用.提出的进出口边界处理方法,避免了边界附近流体粒子积分截断问题,保证流体粒子能够流出边界,激波能够透射边界.     

适用复杂几何壁面的耗散粒子动力学边界条件

耗散粒子动力学(DPD)是一种针对介观流体的高效的粒子模拟方法,经过二十多年发展已经在诸如聚合物、红细胞、液滴浸润性等方面有了很多研究应用.但是因为其边界处理手段的不完善,耗散粒子动力学模拟仍局限于相对简单的几何边界问题中.本文提出一种能自适应各种复杂几何边界的处理方法,并能同时满足三大边界要求:流体粒子不穿透壁面、边界处速度无滑移、边界处密度和温度波动小.具体地,通过给每个壁面粒子赋予一个新的矢量属性—局部壁面法向量,该属性通过加权计算周围壁面粒子的位置得到;然后通过定义周围固体占比概念,仅提取固体壁面的表层粒子参与模拟计算,减少了模拟中无效的粒子;最后在运行中,实时计算每个流体粒子周围固体粒子占比,判断是否进入固体壁面内,如果进入则修正速度和位置.我们将这种方法应用于Poiseuille流动,验证了该方法符合各项要求,随后还在复杂血管网络和结构化固体壁面上展示了该边界处理方法的应用.这种方法使得DPD模拟不再局限于简单函数描述的壁面曲线,而是可以直接从各种设计图纸和实验扫描影像中提取壁面,极大地拓展了DPD的应用范围.     

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     

SPH方法气-液界面边界条件研究

针对界面附近粒子光滑函数截断和非物理穿透问题,提出一种气-液界面边界条件的处理方法.当界面附近支持域出现不同材料粒子,每步计算可在支持域设置虚粒子,按照密度分配方法给虚粒子物理量赋值,并对界面附近粒子引入气-液两相阻力.采用SPH方法和Level-Set方法,计算运动激波对气-液界面作用问题,两者计算结果一致,初步验证了气-液界面边界条件处理的适用性.用SPH方法分别计算超声速气流中的圆截面液柱绕流和下落问题,界面两侧粒子压力和法向速度连续,给出弓形激波、回流区和下游回流区等定性合理结果.表明本文方法可适度避免界面附近流体粒子光滑截断和粒子非物理穿透现象、界面附近流场数值振荡.     

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.     

无网格粒子法壁面边界特性研究

针对无网格粒子法下的离散壁面边界,通过基于粒子数密度的机理分析,证明了离散数值边界与真实边界之间存在差异。分别在二维和三维尺度下,通过计算并分析典型情况下近壁面零散流体粒子的运动轨迹,验证了该差异的存在并展示了壁面对流动产生影响的方式和相关现象。结果表明,数值壁面边界未能完全准确描述真实物理边界,壁面对流体的影响区域并非完全非光滑平顺,这对近壁面流动尤其是低速零散流体粒子会产生一定影响。     

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.     

基于SPH方法的瞬态粘弹性流体的数值模拟

运用SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法模拟基于Oldroyd-B模型的平面突然起动Couette流,通过数值解与解析解的比较,验证SPH方法模拟瞬态粘弹性流动的准确性;且对基于Oldroyd-B模型的方腔驱动流进行SPH模拟.采用一种新的固壁边界处理方法,有效地防止了粒子穿透,提高数值计算的准确性.用数值算例验证SPH方法对粘弹性流体模拟的有效性和稳定性.     

Incorporation of smooth spherical bodies in the Lattice Boltzmann method

A method to simulate bodies suspended in a Lattice Boltzmann solvent is proposed. It is based on a generalized reaction force that enforces no-slip boundary conditions at the fluid–body interface as the limiting case of an iterative procedure. A smooth version of the Heaviside function allows to treat spherical particles of arbitrary size and produces smooth hydrodynamic forces as particles move in the continuum. Numerical tests demonstrate the accuracy of the method in reproducing the hydrodynamic field around a single particle and the fluid-mediated forces between pairs of particles. The drag force experienced by a particle moving in a straight channel and at various Reynolds numbers is studied as a non-trivial testcase.     

一种固定网格上拉格朗日点追踪的快速算法

提出一种基于非结构网格颗粒追踪的改进算法.在已有算法的基础上,发展适用于包含任意多边形单元界面的混合网格算法,对不共面的空间多边形界面进行虚拟三角化,实现基于任意混合网格的拉格朗日追踪.数值试验证明方法可行可靠.通过对固定容器内喷入的不同数量颗粒进行追踪的数值测试及与文献对比,显示算法高效,在颗粒数为10000时,效率提高约47%.     

The selection of layer thicknesses to control acoustic radiation force profiles in layered resonators

Ultrasonic standing waves can be used to generate radiation forces on particles within a fluid. A number of authors have derived detailed representations of these forces but these are most commonly applied using an approximation to the energy distribution based upon an idealized standing wave within a mode based upon rigid boundaries. An electro-acoustic model of the acoustic energy distribution within a standing wave with arbitrary thickness boundaries has been expanded to model the radiation force on an example particle within the acoustic field. This is used to examine the force profile on a particle at resonances other than those predicted with rigid boundaries, and with pressure nodes at different positions. A simple analytical method for predicting modal conditions for combinations of frequencies and layer thickness characteristics is presented, which predicts that resonances can exist that will produce a pressure node at arbitrary positions in the fluid layer of such a system. This can be used to design resonators that will drive particles to positions other than the center of the fluid layer, including the fluid/solid boundary of the layer, with significant potential applications in sensing systems. Further, the model also predicts conditions for multiple subwavelength resonances within the fluid layer of a single resonator, each resonance having different nodal planes for particle concentration.     

Influence of wall motion on particle sedimentation using hybrid LB-IBM scheme

We integrate the lattice Boltzmann method (LBM) and immersed boundary method (IBM) to capture the coupling between a rigid boundary surface and the hydrodynamic response of an enclosed particle laden fluid. We focus on a rigid box filled with a Newtonian fluid where the drag force based on the slip velocity at the wall and settling particles induces the interaction. We impose an external harmonic oscillation on the system boundary and found interesting results in the sedimentation behavior. Our results reveal that the sedimentation and particle locations are sensitive to the boundary walls oscillation amplitude and the subsequent changes on the enclosed flow field. Two different particle distribution analyses were performed and showed the presence of an agglomerate structure of particles. Despite the increase in the amplitude of wall motion, the turbulence level of the flow field and distribution of particles are found to be less in quantity compared to the stationary walls. The integrated LBM-IBM methodology promised the prospect of an efficient and accurate dynamic coupling between a non-compliant bounding surface and flow field in a wide-range of systems. Understanding the dynamics of the fluid-filled box can be particularly important in a simulation of particle deposition within biological systems and other engineering applications.     

A generalized wall boundary condition for smoothed particle hydrodynamics

In this paper we present a new formulation of the boundary condition at static and moving solid walls in SPH simulations. Our general approach is both applicable to two and three dimensions and is very simple compared to previous wall boundary formulations. Based on a local force balance between wall and fluid particles we apply a pressure boundary condition on the solid particles to prevent wall penetration. This method can handle sharp corners and complex geometries as is demonstrated with several examples. A validation shows that we recover hydrostatic equilibrium conditions in a static tank, and a comparison of the classical dam break simulation with state-of-the-art results in literature shows good agreement. We simulate various problems such as the flow around a cylinder and the backward facing step at Re = 100 to demonstrate the general applicability of this new method.     

两个非磁性颗粒在磁流体中的沉降现象研究

在磁场作用下,在磁流体里添加非磁性颗粒(non-magnetic particles,NPs),可以使得NPs形成不同的结构,操控NPs的运动从而影响磁流体的特性,这种应用逐渐受到了研究者的关注.为了更好地操控磁流体里NPs的运动,本文采用一种多物理模型研究在外加磁场作用下,磁流体中两个NPs沉降的运动过程.其中,用格子玻尔兹曼方法模拟磁流体的运动,外加磁场对磁流体的影响用一种自修正方法求解泊松方程,这个自修正方法可以使欧姆定律满足守恒定律.NPs之间的偶极干扰力采用偶极力模型,同时采用一种相对过渡平滑的共轭边界条件处理NPs与磁流体交界面的流固干扰以避免磁场密度过渡的突变.本文主要探究两个NPs在磁流体中的沉降,揭示磁场作用下NPs的相互干扰原理;同时,对控制NPs运动时的参数进行调节,得到NPs不同的运动轨迹,达到操控颗粒运动的目的.本研究可对NPs在磁流体中的应用提供定量的分析结果,对NPs在工业上的应用提供有力的理论支撑.     

耗散粒子动力学对颗粒沉降问题的研究

给出了一种耗散粒子动力学方法模拟流体流动的理论及数值模型,包括控制方程组、边界条件、数值计算方法.使用耗散粒子动力学方法编程计算了颗粒在重力作用下的沉降运动,观察到颗粒的质量和所受重力对颗粒运动轨迹的影响,且颗粒质量越小,所受重力越小,颗粒运动所表现出的随机性越强烈.从而验证了所采用的数学模型、计算方法在流动数值模拟中的可行性及潜在优势.