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基于MDPD方法的微气泡动力学数值模拟研究

发布时间:2021-01-24 21:05
  微气泡具有与普通气泡不同的突出特性,近年来在环境污染控制、生物医学等众多领域中的应用日益受到关注。对微气泡的动力学行为进行深入研究,具有重要的工程应用价值和科学意义。本文就微气泡的尺度特征,利用介观尺度的多体耗散粒子动力学对微气泡的动力学行为展开深入研究,具体的研究内容包括:(1)结合DPD与MDPD两种方法的联系和差异,利用DPD粒子描述气相,MDPD粒子描述液相,构建微气泡模型。通过改变气相粒子和气液界面粒子间作用力,构建气液高密度差的微气泡模型,并对微气泡行为进行模拟验证了其有效性。(2)利用该模型对重力场中单个微气泡的流体动力学行为进行研究。研究表明气液两相间的表面张力对气泡动力学行为有重要影响。随着表面张力增大,气泡的变形越不明显,稳定时气泡越趋近于圆形;随着表面张力减小,气泡变形幅度增大,变形对周围流场的影响增强。在微通道内,当气泡直径一定时,随通道宽度的增加,微气泡上升位移逐渐增加,且微气泡的上升速度随着通道宽度增加而增加,通道越窄,无滑移固壁边界的作用越明显。(3)利用该模型对超声驱动下,无限长微通道内微气泡震荡和输运过程进行了研究。采用缓冲边界构造了无限长微通道环境,... 

【文章来源】:中北大学山西省

【文章页数】:78 页

【学位级别】:硕士

【部分图文】:

基于MDPD方法的微气泡动力学数值模拟研究


不同尺度下数值模拟方法

方法,概况,粒子,动力学


中北大学学位论文5开发了DPD方法的动理论。图1.2耗散粒子动力学(DPD)方法的最新发展概况(2)MDPD方法Pagonabarraga[17,18]提出了MDPD方法,对DPD方法在热力学计算方面的不足进行了补充。模拟气液相分离,对气液界面进行研究,得到了表面张力与DPD方法参数选取的关系。Trofimov[30]指出,Pagonabarraga提出MDPD模型有一定的不足之处,在非理想系统中粒子与粒子间的相关性方面和局部密度方面进行了改进。对超过临界点的L-J流体进行研究,验证模型的准确性,使得MDPD方法可以模拟多组分模型。Warren[31]在文献中提到,MDPD方法中的气体和液体是在满足范德瓦尔斯状态方程的基础上共同存在的,并且还必须考虑粒子截断半径,以消除排斥力和吸引力的作用。对气液共存系统进行模拟,结果表明,气液界面是维持气液相平衡的重要因素。Tiwari和Abraham[32]提出,粒子的自由能和局部密度受到局部密度梯度的控制,而粒子所经历的保守力是基于自由能得出的。模拟了气相和液相的分离过程,获得了可以稳定存在的两相流体系。仿真结果表明,MDPD控制方程中保守力的引力项可以控制粒子的密度梯度。模拟结果表明,MDPD方法可以模拟气液界面,并对模型中的热力学性

示意图,壁面,固体,边界


中北大学学位论文16虠虠式中,ivtt和iTtt分别表示tt时刻的速度,通过对速度的计算,进一步得到tt时刻粒子所受的力iftt,最后通过粒子受到的力对速度校正,从而得到tt时刻粒子速度。速度值的第二次校正减少了计算误差,且引入修正因子λ,从而增加了稳定性和计算精度,并提高了计算效率。根据Groot和Warren[27]研究,由于MDPD模型中引入了随机力与耗散力,当修正系数选用值为0.65时,系统稳定性最佳。积分时间步长t,根据实验室研究问题的需要设置的,但该值必须小于0.06才能保持系统能量的稳定性。2.5边界条件2.5.1固体壁面边界条件建立正确的通道壁模型的模拟结果非常重要,不合理的壁面边界条件可能会导致靠近壁面的流体粒子波动,导致模拟结果出现错误。近年来,研究人员提出了两种固壁边界处理方式,直接方法[45]和间接方法[46]。直接法是将粒子锁定在壁面上的方法,虽然结构简单,操作方便,但是边界附近的流体粒子密度的扰动大,不能真正实现无滑移边界;间接方法是基于周期性边界进行改进的,其中处于壁面上的粒子速度不为零,并且处于壁面附近的微粒速度具有连续性。当前,直接方法被广泛用于在MDPD模拟中建立壁面边界模型,并且这些模型正在不断地改进和优化。图2.1固体壁面边界模型示意图

【参考文献】:
期刊论文
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博士论文
[1]介观尺度两相流动的数值方法与机理研究[D]. 刘汉涛.中北大学 2012
[2]并行高性能耗散粒子动力学程序开发及其应用[D]. 赵英.吉林大学 2009



本文编号:2997930

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