基于IB-LBM的多物理场中多相传热和颗粒运动特性的数值模拟研究
发布时间：2023-05-14 06:21
流体颗粒相互作用问题普遍存在于各种工业过程中,且具有复杂的动量交换特征或传热特性.在许多应用问题中,颗粒形状都是非球形的(比如,椭球状、柱状、块状等),与球形颗粒相比,非球形颗粒流体相互作用过程有着自身的特点和难度,流动结构方面,非球形颗粒独特的几何形状在颗粒-颗粒和颗粒-流体相互作用中都引入了比球形颗粒更多的不确定性,因而在多相流动与传热过程中呈现出比球形颗粒更为复杂的多尺度结构,目前仍然存在许多值得进一步研究的问题.本文首先面向CPU-GPU异构计算机体系,建立了针对静止热颗粒-流体耦合系统的三维IB-LBM并行数值模拟平台.接着,建立了适用于运动稠密颗粒系统的LBM-IBM-DEM数值模拟平台,并实现了流体-磁颗粒耦合的研究.主要研究工作与创新点如下.构建基于CUDA并行的三维IB-LBM模型,针对冷态流场中一类静止热椭球形颗粒强制对流问题进行数值模拟研究,揭示颗粒受力和传热机制.首先,通过对单个热球形颗粒绕流问题在不同网格规模下进行模拟,验证了算法的稳定性和收敛性.接着,对不同雷诺数条件下的球体/椭球体绕流问题进行了模拟,数值结果与文献结果在定量上保持一致,从而验证了所设计的三...
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 非球形颗粒曳力机制与传热特性研究
1.2.2 稠密系统流体磁颗粒的离散元模拟研究
1.2.3 综合评述
1.3 本文的研究内容
1.4 本章小结
第二章 预备知识
2.1 热格子Boltzmann方法简介
2.2 Immersed boundary方法简介
2.3 边界处理格式
2.4 实验环境
2.5 本文主要符号说明
第三章 椭球形颗粒曳力机制与传热特性研究
3.1 问题描述
3.2 模型准确性验证
3.2.1 收敛性的数值分析
3.2.2 球形颗粒
3.2.3 椭球形颗粒
3.3 椭球形颗粒的曳力特征及新关联式
3.3.1 颗粒形状及倾角的影响
3.3.2 构建曳力系数新关联式
3.4 椭球形颗粒的传热特性及新关联式
3.4.1 颗粒形状及倾角的影响
3.4.2 构建平均Nu新关联式
3.5 本章小结
第四章 非对称椭球形颗粒曳力机制与传热特性研究
4.1 问题描述
4.2 模型准确性验证
4.2.1 曳力系数的验证
4.2.2 平均努塞尔数的验证
4.3 非对称椭球形颗粒的受力与传热分析
4.3.1 颗粒曳力特征分析
4.3.2 颗粒升力特征分析
4.3.3 颗粒的传热特性分析
4.4 与已有关联式的对比分析
4.5 构建新关联式
4.5.1 形状因子的影响分析
4.5.2 构建曳力系数与平均努塞尔数新关联式
4.6 本章小结
第五章 颗粒尺度的串列非球形颗粒及多颗粒阵列的流固耦合研究
5.1 问题描述
5.2 模型准确性验证
5.2.1 单颗粒强制对流
5.2.2 双球形颗粒相互作用
5.3 颗粒尾部流场特征分析
5.4 颗粒间相对距离的影响
5.4.1 颗粒间距对曳力系数的影响
5.4.2 颗粒间距对传热特性的影响
5.4.3 构建新关联式
5.5 颗粒倾角对流动与传热的影响
5.6 多颗粒阵列内的流动与传热问题
5.7 本章小结
第六章 磁场作用下稠密系统流固耦合研究
6.1 颗粒场离散元(DEM)模型
6.1.1 DEM基本原理
6.1.2 核心数理模型
6.1.3 差分格式与时间步长的选取
6.2 外加磁场下磁颗粒受力的数学模型
6.2.1 非均匀磁场中单个球形颗粒的磁感应力
6.2.2 磁颗粒间的磁感应力
6.3 基于LBM-IBM-DEM的流固耦合算法设计
6.4 模型准确性验证
6.4.1 干颗粒运动行为验证
6.4.2 非磁性颗粒LBM-IBM-DEM验证
6.4.3 颗粒间磁场力的验证
6.5 外加均匀磁场下两颗粒沉降数值模拟
6.5.1 经典DKT情形
6.5.2 不同相对位置的两颗粒沉降
6.6 磁场影响下颗粒群运动机制研究
6.6.1 磁场方向对磁颗粒群动力学特性的影响
6.6.2 磁颗粒体积分数对颗粒群运动行为的影响
6.7 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 本文主要研究成果及创新
7.2 进一步研究的展望
参考文献
致谢
个人简历、在读博期间发表的学术论文和研究成果
本文编号：3817358
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 非球形颗粒曳力机制与传热特性研究
1.2.2 稠密系统流体磁颗粒的离散元模拟研究
1.2.3 综合评述
1.3 本文的研究内容
1.4 本章小结
第二章 预备知识
2.1 热格子Boltzmann方法简介
2.2 Immersed boundary方法简介
2.3 边界处理格式
2.4 实验环境
2.5 本文主要符号说明
第三章 椭球形颗粒曳力机制与传热特性研究
3.1 问题描述
3.2 模型准确性验证
3.2.1 收敛性的数值分析
3.2.2 球形颗粒
3.2.3 椭球形颗粒
3.3 椭球形颗粒的曳力特征及新关联式
3.3.1 颗粒形状及倾角的影响
3.3.2 构建曳力系数新关联式
3.4 椭球形颗粒的传热特性及新关联式
3.4.1 颗粒形状及倾角的影响
3.4.2 构建平均Nu新关联式
3.5 本章小结
第四章 非对称椭球形颗粒曳力机制与传热特性研究
4.1 问题描述
4.2 模型准确性验证
4.2.1 曳力系数的验证
4.2.2 平均努塞尔数的验证
4.3 非对称椭球形颗粒的受力与传热分析
4.3.1 颗粒曳力特征分析
4.3.2 颗粒升力特征分析
4.3.3 颗粒的传热特性分析
4.4 与已有关联式的对比分析
4.5 构建新关联式
4.5.1 形状因子的影响分析
4.5.2 构建曳力系数与平均努塞尔数新关联式
4.6 本章小结
第五章 颗粒尺度的串列非球形颗粒及多颗粒阵列的流固耦合研究
5.1 问题描述
5.2 模型准确性验证
5.2.1 单颗粒强制对流
5.2.2 双球形颗粒相互作用
5.3 颗粒尾部流场特征分析
5.4 颗粒间相对距离的影响
5.4.1 颗粒间距对曳力系数的影响
5.4.2 颗粒间距对传热特性的影响
5.4.3 构建新关联式
5.5 颗粒倾角对流动与传热的影响
5.6 多颗粒阵列内的流动与传热问题
5.7 本章小结
第六章 磁场作用下稠密系统流固耦合研究
6.1 颗粒场离散元(DEM)模型
6.1.1 DEM基本原理
6.1.2 核心数理模型
6.1.3 差分格式与时间步长的选取
6.2 外加磁场下磁颗粒受力的数学模型
6.2.1 非均匀磁场中单个球形颗粒的磁感应力
6.2.2 磁颗粒间的磁感应力
6.3 基于LBM-IBM-DEM的流固耦合算法设计
6.4 模型准确性验证
6.4.1 干颗粒运动行为验证
6.4.2 非磁性颗粒LBM-IBM-DEM验证
6.4.3 颗粒间磁场力的验证
6.5 外加均匀磁场下两颗粒沉降数值模拟
6.5.1 经典DKT情形
6.5.2 不同相对位置的两颗粒沉降
6.6 磁场影响下颗粒群运动机制研究
6.6.1 磁场方向对磁颗粒群动力学特性的影响
6.6.2 磁颗粒体积分数对颗粒群运动行为的影响
6.7 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 本文主要研究成果及创新
7.2 进一步研究的展望
参考文献
致谢
个人简历、在读博期间发表的学术论文和研究成果
本文编号：3817358
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yysx/3817358.html
