颗粒在粘弹性流体中运动沉降的格子Boltzmann方法数值模拟
发布时间:2021-06-26 12:53
实际工业中颗粒在粘弹性流体中的沉降是一种比较常见的两相流问题,比如:高聚合物的成型工艺等。对该类两相流问题,传统CFD方法对于复杂边界等问题的处理存在难题,而格子Boltzmann方法(LBM)能方便地处理该问题,且程序简单、并行性良好,能为其提供新的解决方法和思路。本文通过LBM研究粘弹性流体绕柱流问题和颗粒在粘弹性流体流道内的沉降规律,具体研究内容如下:首先,基于点源颗粒的LBE方法分析颗粒相对质量M和初始位置Y、雷诺数Re、和威森伯格数Wi对颗粒在粘弹性流体流道内沉降的影响。结果表明:颗粒沉降落点随着M的减小以及Re和Y的增加而越来越远,而Wi则基本不影响颗粒的沉降。另外,由于收缩管内涡的存在,颗粒运动轨迹会出现先下降后上升再下降的趋势。然后,用双分布函数耦合求解二维Oldroyd-B型粘弹流体绕柱流问题,用光滑剖面法(smoothprofile method,SPM)处理颗粒边界,验证SPM在绕圆柱体流动中的可能性,并将该方法拓展到绕椭圆柱流动,讨论椭圆柱几何尺寸α对流动的影响。最后,分析绕双柱体流动问题,讨论间距S和柱体形状对流动的影响。结果表明:0.1≤Wi≤1.2时,该方...
【文章来源】:华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】:81 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
图2.2?D2Q9格子模型的碰撞过程(a)和迁移过程(b)??Fig.?2.2?The?collision?(a)?and?streaming?(b)?of?D2Q9?lattice?model??离散速度须满足:??
?0?x< ̄Vl??!?nx?;/?(2-39)??=?j-(sm?—+?1)?\y\<y2??-^??其中x和/?分别为格点和颗粒圆心坐标。以上方法各有千秋,比如方法一的二阶导数是??连续的,但该方法对三个区域的定义比较模糊,没有严格区分开来,所以需要选取合适??的6??1.0?-?j—:?r-i??I?〇-5?'??0.0??L?上????1?1?I?J?I?I???-(a+^/2)?-(a-^2)?a-E/2?a+^2??x??图2.4?SPM插值函数示意图(与矩形剖面法比较)??Fig.?2.4?SPM?interpolation?function?diagram?(compared?with?rectangular?profile?method)??SPM相较于拉格朗日-欧拉法,有以下优势:(1)可以在固定的笛卡尔坐标系处理??圆形颗粒,免去了网格重建问题带来的计算效率问题;(2)对粒子的数量不敏感;(3)??动力学条件在计算区域内能由不可压缩条件自动满足等。计算结果表明,SPM有着较好??地数值稳定性,操作简单,在模拟多颗粒运动中,能够充分发挥其优势,值得研宄和推??广。??总的来说,LBM中处理边界方法都有各自的优劣势,边界处理格式的选择需参考??
第22页?华东理工大学硕士学位论文??2、通过初始条件由式(3-26)计算颗粒所受到的阻力,然后通过颗粒的控制方程计算??下一步颗粒的位置和速度。??3、由于颗粒的圆心运动到的位置不一定在格点上,所以需要使用线性插值来求解??颗粒的圆心W处的流体速度。图3.3为颗粒在由4个格点组成的正方形区域的位置示意??图,每个格点如图所示的那样被标记为点0、P、Q、R,则颗粒的圆心W处的流体速??度为:??Uw-U0^xw-x0)(Up-U0)?+?{yw-yB)[Uq-U0?+?{xw-x0){Ur ̄Uq-U+U0)\?(3-35)??4、利用颗粒获得的下一步速度和位置重复第2、3步,直到颗粒触壁或者流出流道。??3.3粘弹性流体直管中颗粒的沉降模拟??(一)模型和边界处理说明??颗粒在粘弹性流体直管中的几何图形如图3.4所示,为了与第5章基于体积法的结??果进行比较,我们将颗粒的位置放在如图所在位置,颗粒的圆心距离入口处的距离??L尸10R,直管的长度L=30R,高度为H=10R。模型网格规模如图3.5所示:R=10A。另??夕卜,如图3.4建立参考坐标系,左边的入口处的最下端为原点来建立参考坐标系,后面??的模型均以此坐标系为准。本文粘弹流体类型为01droyd-B,相应初始条件和流体参数??与?Alves[72]以及?Hulsen[73]的保持一致。其中?v;=0.275,户nV(v,+vp)=0.59,%和?%分别为??聚合物和溶剂的运动粘度,流体密度p=l,颗粒初始位置7=51。本文采用2.2.2节介绍??的充分发展格式处理入口边界,同时为提高收敛速度,分别将构型张量分量為pjg、??為^取为理论值。另外,本
【参考文献】:
期刊论文
[1]密度不同的颗粒在流体中的沉降特性[J]. 刘依,聂德明. 计算力学学报. 2018(05)
[2]黏弹性流体扩展及收缩流动的格子Boltzmann模拟分析[J]. 周王军,李勇,何录武. 力学季刊. 2018(02)
[3]基于格子Boltzmann方法的挤出胀大的数值模拟[J]. 李勇,尤文玉,何录武. 力学季刊. 2016(02)
[4]细微颗粒在方腔自然对流中运动特性的格子Boltzmann模拟[J]. 李勇. 资源节约与环保. 2015(07)
[5]基于格子Boltzmann方法模拟纳米流体强化传质过程[J]. 崔腾飞,宣益民,李强. 化工学报. 2012(S1)
[6]方形粒子在Oldroyd-B流体中的沉降特性[J]. 邵雪明,孙光明,余钊圣. 浙江大学学报(工学版). 2007(11)
[7]PIV测试技术及其应用[J]. 徐玉明,迟卫,莫立新. 舰船科学技术. 2007(03)
[8]双重网格的Lattice Boltzmann方法[J]. 王兴勇,索丽生,程永光,刘德有. 河海大学学报(自然科学版). 2003(01)
硕士论文
[1]粘弹性绕流及颗粒两相流动的格子Boltzmann方法数值模拟[D]. 周王军.华东理工大学 2018
本文编号:3251379
【文章来源】:华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】:81 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
图2.2?D2Q9格子模型的碰撞过程(a)和迁移过程(b)??Fig.?2.2?The?collision?(a)?and?streaming?(b)?of?D2Q9?lattice?model??离散速度须满足:??
?0?x< ̄Vl??!?nx?;/?(2-39)??=?j-(sm?—+?1)?\y\<y2??-^??其中x和/?分别为格点和颗粒圆心坐标。以上方法各有千秋,比如方法一的二阶导数是??连续的,但该方法对三个区域的定义比较模糊,没有严格区分开来,所以需要选取合适??的6??1.0?-?j—:?r-i??I?〇-5?'??0.0??L?上????1?1?I?J?I?I???-(a+^/2)?-(a-^2)?a-E/2?a+^2??x??图2.4?SPM插值函数示意图(与矩形剖面法比较)??Fig.?2.4?SPM?interpolation?function?diagram?(compared?with?rectangular?profile?method)??SPM相较于拉格朗日-欧拉法,有以下优势:(1)可以在固定的笛卡尔坐标系处理??圆形颗粒,免去了网格重建问题带来的计算效率问题;(2)对粒子的数量不敏感;(3)??动力学条件在计算区域内能由不可压缩条件自动满足等。计算结果表明,SPM有着较好??地数值稳定性,操作简单,在模拟多颗粒运动中,能够充分发挥其优势,值得研宄和推??广。??总的来说,LBM中处理边界方法都有各自的优劣势,边界处理格式的选择需参考??
第22页?华东理工大学硕士学位论文??2、通过初始条件由式(3-26)计算颗粒所受到的阻力,然后通过颗粒的控制方程计算??下一步颗粒的位置和速度。??3、由于颗粒的圆心运动到的位置不一定在格点上,所以需要使用线性插值来求解??颗粒的圆心W处的流体速度。图3.3为颗粒在由4个格点组成的正方形区域的位置示意??图,每个格点如图所示的那样被标记为点0、P、Q、R,则颗粒的圆心W处的流体速??度为:??Uw-U0^xw-x0)(Up-U0)?+?{yw-yB)[Uq-U0?+?{xw-x0){Ur ̄Uq-U+U0)\?(3-35)??4、利用颗粒获得的下一步速度和位置重复第2、3步,直到颗粒触壁或者流出流道。??3.3粘弹性流体直管中颗粒的沉降模拟??(一)模型和边界处理说明??颗粒在粘弹性流体直管中的几何图形如图3.4所示,为了与第5章基于体积法的结??果进行比较,我们将颗粒的位置放在如图所在位置,颗粒的圆心距离入口处的距离??L尸10R,直管的长度L=30R,高度为H=10R。模型网格规模如图3.5所示:R=10A。另??夕卜,如图3.4建立参考坐标系,左边的入口处的最下端为原点来建立参考坐标系,后面??的模型均以此坐标系为准。本文粘弹流体类型为01droyd-B,相应初始条件和流体参数??与?Alves[72]以及?Hulsen[73]的保持一致。其中?v;=0.275,户nV(v,+vp)=0.59,%和?%分别为??聚合物和溶剂的运动粘度,流体密度p=l,颗粒初始位置7=51。本文采用2.2.2节介绍??的充分发展格式处理入口边界,同时为提高收敛速度,分别将构型张量分量為pjg、??為^取为理论值。另外,本
【参考文献】:
期刊论文
[1]密度不同的颗粒在流体中的沉降特性[J]. 刘依,聂德明. 计算力学学报. 2018(05)
[2]黏弹性流体扩展及收缩流动的格子Boltzmann模拟分析[J]. 周王军,李勇,何录武. 力学季刊. 2018(02)
[3]基于格子Boltzmann方法的挤出胀大的数值模拟[J]. 李勇,尤文玉,何录武. 力学季刊. 2016(02)
[4]细微颗粒在方腔自然对流中运动特性的格子Boltzmann模拟[J]. 李勇. 资源节约与环保. 2015(07)
[5]基于格子Boltzmann方法模拟纳米流体强化传质过程[J]. 崔腾飞,宣益民,李强. 化工学报. 2012(S1)
[6]方形粒子在Oldroyd-B流体中的沉降特性[J]. 邵雪明,孙光明,余钊圣. 浙江大学学报(工学版). 2007(11)
[7]PIV测试技术及其应用[J]. 徐玉明,迟卫,莫立新. 舰船科学技术. 2007(03)
[8]双重网格的Lattice Boltzmann方法[J]. 王兴勇,索丽生,程永光,刘德有. 河海大学学报(自然科学版). 2003(01)
硕士论文
[1]粘弹性绕流及颗粒两相流动的格子Boltzmann方法数值模拟[D]. 周王军.华东理工大学 2018
本文编号:3251379
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