基于SPH-DEM耦合方法的液滴冲击散粒体运动机理研究

发布时间：2017-08-11 04:17

  本文关键词：基于SPH-DEM耦合方法的液滴冲击散粒体运动机理研究

  更多相关文章： SPH DEM 表面张力 散粒体 多相流

【摘要】：液滴冲击离散颗粒是自然界和工程领域中常见的一种现象,也是一种典型而又复杂的不可压缩自由表面流动和离散颗粒结构耦合作用问题。此类问题的深入研究为复杂的流体和颗粒间耦合作用的理论和数值模拟研究提供了新思路,具有重要的理论意义。在工程应用方面为泥沙启动、土壤侵蚀、河床演变和地质灾害预报等问题的研究提供了新的研究手段,具有实际应用价值。本文将光滑粒子流体动力学(SPH)方法与离散单元法(DEM)方法相结合,进行了液滴冲击散粒体颗粒问题的研究。采用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。研究结果表明,内部压应力的脉动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。在SPH模型中引入范德瓦尔斯状态方程中的吸引力来模拟液滴的表面张力。提出了一种改进的Quintic核函数,用于改善模型中排斥力的不稳定问题。模型中的吸引力采用与排斥力不同的插值核函数来处理,用于改善模型的拉力不稳定问题。通过模拟真空中液滴的拉伸振荡过程,验证了本文计算模式在SPH方法中模拟液滴的表面张力中的适用性。并且将模拟拉伸振荡周期与理论值进行对比,率定了该模式中范德瓦尔斯状态方程的拉应力参数。并采用该模式模拟了考虑壁面黏性剪切力条件下液滴撞击超疏水壁面过程,通过将模拟数据与实验结果进行对比,分析了壁面黏性剪切力和表面张力对液滴运动过程的影响,研究表明:铺展过程中液滴受到的壁面黏性剪切力起主要影响,黏性系数的大小随着液滴运动速度增加而增大;回缩阶段表面张力提供回缩动力,该阶段壁面摩擦阻力要小于铺展阶段。提出了一种壁面可湿润性模拟机制,研究了壁面可湿润性对液滴静态接触角的影响,模拟了液滴撞击可湿润壁面的过程,通过对比模拟数据和实验结果表明:液滴的静态接触角随着壁面可湿润系数的增加而减小,壁面可湿润性对液滴的铺展过程影响很小;回缩和回弹阶段壁面可湿润性的对液滴运动特征的影响较明显;壁面可湿润系数会随着壁面的饱和程度以及壁面上流体的脉动压强而改变,壁面饱和度越大壁面可湿润系数越小,流体的脉动压强越大可湿润系数越小。针对自由表面流体与离散颗粒相互作用问题提出一种新的SPH-DEM模型耦合方法,并且结合混合编译原理建立了驾驭式可视化SPH-DEM模拟系统。本文提出的SPH-DEM模型耦合方法中流体粒子和离散颗粒之间的相互作用力包括三部分:排斥力、黏性剪切力和毛细作用导致的吸附力。通过模拟液滴冲击散粒体过程,验证了本文提出的SPH-DEM模型耦合方法在处理该方面问题中的适用性。设计了冲击散粒体实验,分析了颗粒粒径大小对液滴撞击运动的影响。将实验结果与模拟数据进行对比,分析了液滴铺展和回缩以及液滴表面散粒体运动过程和作用机理,讨论了颗粒的可湿润性对液滴铺展直径变化的影响。
【关键词】：SPH DEM 表面张力 散粒体 多相流
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O359
【目录】：

• 中文摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-26
• 1.1 本文研究意义11-12
• 1.2 液滴碰撞问题的研究现状12-18
• 1.2.1 液滴冲击壁面的实验研究12-13
• 1.2.2 液滴撞击液面的实验研究13-14
• 1.2.3 液滴冲击散粒体的实验研究14-15
• 1.2.4 液滴撞击问题的数值模拟研究15-18
• 1.3 本文数值模拟方法概述18-23
• 1.3.1 光滑粒子流体动力学（SPH）方法18-19
• 1.3.2 SPH方法的边界条件处理19-21
• 1.3.3 离散单元法（DEM）21-23
• 1.4 本文研究内容23-26
• 1.4.1 本文主要工作23-24
• 1.4.2 本文创新点24-26
• 第二章 SPH方法理论26-49
• 2.1 SPH的基本思想26-27
• 2.2 SPH的核函数27-31
• 2.3 SPH的控制方程31-35
• 2.3.1 连续方程31-32
• 2.3.2 运动方程32-34
• 2.3.3 状态方程34-35
• 2.4 表面张力35-37
• 2.5 数值处理方法37-47
• 2.5.1 插值精度的修正37-40
• 2.5.2 应力不稳定40-43
• 2.5.3 核心斥力43-44
• 2.5.4 固壁边界条件44-46
• 2.5.5 位移积分46-47
• 2.6 小结47-49
• 第三章 SPH-DEM耦合方法理论49-61
• 3.1 DEM的基本思想49-50
• 3.2 DEM的接触算法50-54
• 3.2.1 接触模式50-52
• 3.2.2 接触力52-53
• 3.2.3 控制方程53-54
• 3.3 阻尼作用54-55
• 3.4 SPH-DEM耦合方法55-60
• 3.4.1 不透水固体边界问题56-57
• 3.4.2 固体颗粒边界问题57-60
• 3.5 小结60-61
• 第四章 颗粒撞击固壁问题的模拟61-88
• 4.1 SPH模型的建立61-62
• 4.2 液滴撞击带孔壁面62-67
• 4.3 液滴的表面张力67-71
• 4.4 液滴撞击超疏水表面71-77
• 4.5 固体壁面的可湿润性77-86
• 4.6 小结86-88
• 第五章 黏性液滴冲击散粒体问题的模拟88-110
• 5.1 SPH-DEM耦合系统的建立88-92
• 5.1.1 控制方程88-90
• 5.1.2 SPH-DEM耦合系统的基本结构90-92
• 5.2 驾驭式可视化模拟的实现92-94
• 5.2.1 驾驭式模型的一般结构92-93
• 5.2.2 编译方法93-94
• 5.3 散粒体堆积问题的模拟94-96
• 5.4 液滴冲击散粒体的模拟96-103
• 5.5 液滴冲击散粒体问题的实验103-107
• 5.6 对比分析107-109
• 5.7 小结109-110
• 第六章 结论与展望110-113
• 6.1 结论110-111
• 6.2 展望111-113
• 参考文献113-119
• 发表论文和科研情况说明119-120
• 致谢120-121

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本文编号：654187