基于MDPD方法的微氣泡動力學數值模擬研究
發(fā)布時間：2021-01-24 21:05
微氣泡具有與普通氣泡不同的突出特性,近年來在環(huán)境污染控制、生物醫(yī)學等眾多領域中的應用日益受到關注。對微氣泡的動力學行為進行深入研究,具有重要的工程應用價值和科學意義。本文就微氣泡的尺度特征,利用介觀尺度的多體耗散粒子動力學對微氣泡的動力學行為展開深入研究,具體的研究內容包括:（1）結合DPD與MDPD兩種方法的聯系和差異,利用DPD粒子描述氣相,MDPD粒子描述液相,構建微氣泡模型。通過改變氣相粒子和氣液界面粒子間作用力,構建氣液高密度差的微氣泡模型,并對微氣泡行為進行模擬驗證了其有效性。（2）利用該模型對重力場中單個微氣泡的流體動力學行為進行研究。研究表明氣液兩相間的表面張力對氣泡動力學行為有重要影響。隨著表面張力增大,氣泡的變形越不明顯,穩(wěn)定時氣泡越趨近于圓形;隨著表面張力減小,氣泡變形幅度增大,變形對周圍流場的影響增強。在微通道內,當氣泡直徑一定時,隨通道寬度的增加,微氣泡上升位移逐漸增加,且微氣泡的上升速度隨著通道寬度增加而增加,通道越窄,無滑移固壁邊界的作用越明顯。（3）利用該模型對超聲驅動下,無限長微通道內微氣泡震蕩和輸運過程進行了研究。采用緩沖邊界構造了無限長微通道環(huán)境,...
【文章來源】：中北大學山西省
【文章頁數】：78 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
不同尺度下數值模擬方法
中北大學學位論文5開發(fā)了DPD方法的動理論。圖1.2耗散粒子動力學(DPD)方法的最新發(fā)展概況（2）MDPD方法Pagonabarraga[17,18]提出了MDPD方法，對DPD方法在熱力學計算方面的不足進行了補充。模擬氣液相分離，對氣液界面進行研究，得到了表面張力與DPD方法參數選取的關系。Trofimov[30]指出，Pagonabarraga提出MDPD模型有一定的不足之處，在非理想系統(tǒng)中粒子與粒子間的相關性方面和局部密度方面進行了改進。對超過臨界點的L-J流體進行研究，驗證模型的準確性，使得MDPD方法可以模擬多組分模型。Warren[31]在文獻中提到，MDPD方法中的氣體和液體是在滿足范德瓦爾斯狀態(tài)方程的基礎上共同存在的，并且還必須考慮粒子截斷半徑，以消除排斥力和吸引力的作用。對氣液共存系統(tǒng)進行模擬，結果表明，氣液界面是維持氣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，而粒子所經歷的保守力是基于自由能得出的。模擬了氣相和液相的分離過程，獲得了可以穩(wěn)定存在的兩相流體系。仿真結果表明，MDPD控制方程中保守力的引力項可以控制粒子的密度梯度。模擬結果表明，MDPD方法可以模擬氣液界面，并對模型中的熱力學性
中北大學學位論文16虠虠式中，ivtt和iTtt分別表示tt時刻的速度，通過對速度的計算，進一步得到tt時刻粒子所受的力iftt，最后通過粒子受到的力對速度校正，從而得到tt時刻粒子速度。速度值的第二次校正減少了計算誤差，且引入修正因子λ，從而增加了穩(wěn)定性和計算精度，并提高了計算效率。根據Groot和Warren[27]研究，由于MDPD模型中引入了隨機力與耗散力，當修正系數選用值為0.65時，系統(tǒng)穩(wěn)定性最佳。積分時間步長t，根據實驗室研究問題的需要設置的，但該值必須小于0.06才能保持系統(tǒng)能量的穩(wěn)定性。2.5邊界條件2.5.1固體壁面邊界條件建立正確的通道壁模型的模擬結果非常重要，不合理的壁面邊界條件可能會導致靠近壁面的流體粒子波動，導致模擬結果出現錯誤。近年來，研究人員提出了兩種固壁邊界處理方式，直接方法[45]和間接方法[46]。直接法是將粒子鎖定在壁面上的方法，雖然結構簡單，操作方便，但是邊界附近的流體粒子密度的擾動大，不能真正實現無滑移邊界；間接方法是基于周期性邊界進行改進的，其中處于壁面上的粒子速度不為零，并且處于壁面附近的微粒速度具有連續(xù)性。當前，直接方法被廣泛用于在MDPD模擬中建立壁面邊界模型，并且這些模型正在不斷地改進和優(yōu)化。圖2.1固體壁面邊界模型示意圖
【參考文獻】：
期刊論文
[1]單個氣泡上浮過程的數值模擬[J]. 張妍,楊帆. 現代制造技術與裝備. 2016(07)
[2]光滑粒子動力學方法的發(fā)展與應用[J]. 劉謀斌,宗智,常建忠. 力學進展. 2011(02)
[3]耗散粒子動力學模擬方法在軟物質體系研究中的一些進展與應用[J]. 王永雷,李占偉,劉鴻,呂中元. 物理學進展. 2011(01)
[4]液氣共存的耗散粒子動力學模擬[J]. 王曉亮,陳碩. 物理學報. 2010(10)
[5]光滑粒子動力學方法中粒子分布與數值穩(wěn)定性分析[J]. 劉謀斌,常建忠. 物理學報. 2010(06)
[6]微液滴動力學特性的耗散粒子動力學模擬[J]. 常建忠,劉謀斌,劉漢濤. 物理學報. 2008(07)
[7]雙重網格的Lattice Boltzmann方法[J]. 王興勇,索麗生,程永光,劉德有. 河海大學學報(自然科學版). 2003(01)
[8]多相流熱物理研究的進展[J]. 陳學俊. 西安交通大學學報. 1994(05)
博士論文
[1]介觀尺度兩相流動的數值方法與機理研究[D]. 劉漢濤.中北大學 2012
[2]并行高性能耗散粒子動力學程序開發(fā)及其應用[D]. 趙英.吉林大學 2009
本文編號：2997930
【文章來源】：中北大學山西省
【文章頁數】：78 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
不同尺度下數值模擬方法
中北大學學位論文5開發(fā)了DPD方法的動理論。圖1.2耗散粒子動力學(DPD)方法的最新發(fā)展概況（2）MDPD方法Pagonabarraga[17,18]提出了MDPD方法，對DPD方法在熱力學計算方面的不足進行了補充。模擬氣液相分離，對氣液界面進行研究，得到了表面張力與DPD方法參數選取的關系。Trofimov[30]指出，Pagonabarraga提出MDPD模型有一定的不足之處，在非理想系統(tǒng)中粒子與粒子間的相關性方面和局部密度方面進行了改進。對超過臨界點的L-J流體進行研究，驗證模型的準確性，使得MDPD方法可以模擬多組分模型。Warren[31]在文獻中提到，MDPD方法中的氣體和液體是在滿足范德瓦爾斯狀態(tài)方程的基礎上共同存在的，并且還必須考慮粒子截斷半徑，以消除排斥力和吸引力的作用。對氣液共存系統(tǒng)進行模擬，結果表明，氣液界面是維持氣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，而粒子所經歷的保守力是基于自由能得出的。模擬了氣相和液相的分離過程，獲得了可以穩(wěn)定存在的兩相流體系。仿真結果表明，MDPD控制方程中保守力的引力項可以控制粒子的密度梯度。模擬結果表明，MDPD方法可以模擬氣液界面，并對模型中的熱力學性
中北大學學位論文16虠虠式中，ivtt和iTtt分別表示tt時刻的速度，通過對速度的計算，進一步得到tt時刻粒子所受的力iftt，最后通過粒子受到的力對速度校正，從而得到tt時刻粒子速度。速度值的第二次校正減少了計算誤差，且引入修正因子λ，從而增加了穩(wěn)定性和計算精度，并提高了計算效率。根據Groot和Warren[27]研究，由于MDPD模型中引入了隨機力與耗散力，當修正系數選用值為0.65時，系統(tǒng)穩(wěn)定性最佳。積分時間步長t，根據實驗室研究問題的需要設置的，但該值必須小于0.06才能保持系統(tǒng)能量的穩(wěn)定性。2.5邊界條件2.5.1固體壁面邊界條件建立正確的通道壁模型的模擬結果非常重要，不合理的壁面邊界條件可能會導致靠近壁面的流體粒子波動，導致模擬結果出現錯誤。近年來，研究人員提出了兩種固壁邊界處理方式，直接方法[45]和間接方法[46]。直接法是將粒子鎖定在壁面上的方法，雖然結構簡單，操作方便，但是邊界附近的流體粒子密度的擾動大，不能真正實現無滑移邊界；間接方法是基于周期性邊界進行改進的，其中處于壁面上的粒子速度不為零，并且處于壁面附近的微粒速度具有連續(xù)性。當前，直接方法被廣泛用于在MDPD模擬中建立壁面邊界模型，并且這些模型正在不斷地改進和優(yōu)化。圖2.1固體壁面邊界模型示意圖
【參考文獻】：
期刊論文
[1]單個氣泡上浮過程的數值模擬[J]. 張妍,楊帆. 現代制造技術與裝備. 2016(07)
[2]光滑粒子動力學方法的發(fā)展與應用[J]. 劉謀斌,宗智,常建忠. 力學進展. 2011(02)
[3]耗散粒子動力學模擬方法在軟物質體系研究中的一些進展與應用[J]. 王永雷,李占偉,劉鴻,呂中元. 物理學進展. 2011(01)
[4]液氣共存的耗散粒子動力學模擬[J]. 王曉亮,陳碩. 物理學報. 2010(10)
[5]光滑粒子動力學方法中粒子分布與數值穩(wěn)定性分析[J]. 劉謀斌,常建忠. 物理學報. 2010(06)
[6]微液滴動力學特性的耗散粒子動力學模擬[J]. 常建忠,劉謀斌,劉漢濤. 物理學報. 2008(07)
[7]雙重網格的Lattice Boltzmann方法[J]. 王興勇,索麗生,程永光,劉德有. 河海大學學報(自然科學版). 2003(01)
[8]多相流熱物理研究的進展[J]. 陳學俊. 西安交通大學學報. 1994(05)
博士論文
[1]介觀尺度兩相流動的數值方法與機理研究[D]. 劉漢濤.中北大學 2012
[2]并行高性能耗散粒子動力學程序開發(fā)及其應用[D]. 趙英.吉林大學 2009
本文編號：2997930
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