流體顆粒相互作用問題普遍存在于各種工業(yè)過程中,且具有復(fù)雜的動量交換特征或傳熱特性.在許多應(yīng)用問題中,顆粒形狀都是非球形的(比如,橢球狀、柱狀、塊狀等),與球形顆粒相比,非球形顆粒流體相互作用過程有著自身的特點和難度,流動結(jié)構(gòu)方面,非球形顆粒獨特的幾何形狀在顆粒-顆粒和顆粒-流體相互作用中都引入了比球形顆粒更多的不確定性,因而在多相流動與傳熱過程中呈現(xiàn)出比球形顆粒更為復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu),目前仍然存在許多值得進(jìn)一步研究的問題.本文首先面向CPU-GPU異構(gòu)計算機(jī)體系,建立了針對靜止熱顆粒-流體耦合系統(tǒng)的三維IB-LBM并行數(shù)值模擬平臺.接著,建立了適用于運動稠密顆粒系統(tǒng)的LBM-IBM-DEM數(shù)值模擬平臺,并實現(xiàn)了流體-磁顆粒耦合的研究.主要研究工作與創(chuàng)新點如下.構(gòu)建基于CUDA并行的三維IB-LBM模型,針對冷態(tài)流場中一類靜止熱橢球形顆粒強(qiáng)制對流問題進(jìn)行數(shù)值模擬研究,揭示顆粒受力和傳熱機(jī)制.首先,通過對單個熱球形顆粒繞流問題在不同網(wǎng)格規(guī)模下進(jìn)行模擬,驗證了算法的穩(wěn)定性和收斂性.接著,對不同雷諾數(shù)條件下的球體/橢球體繞流問題進(jìn)行了模擬,數(shù)值結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果在定量上保持一致,從而驗證了所設(shè)計的三...

【文章頁數(shù)】：159 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 非球形顆粒曳力機(jī)制與傳熱特性研究
        1.2.2 稠密系統(tǒng)流體磁顆粒的離散元模擬研究
        1.2.3 綜合評述
    1.3 本文的研究內(nèi)容
    1.4 本章小結(jié)
第二章 預(yù)備知識
    2.1 熱格子Boltzmann方法簡介
    2.2 Immersed boundary方法簡介
    2.3 邊界處理格式
    2.4 實驗環(huán)境
    2.5 本文主要符號說明
第三章 橢球形顆粒曳力機(jī)制與傳熱特性研究
    3.1 問題描述
    3.2 模型準(zhǔn)確性驗證
        3.2.1 收斂性的數(shù)值分析
        3.2.2 球形顆粒
        3.2.3 橢球形顆粒
    3.3 橢球形顆粒的曳力特征及新關(guān)聯(lián)式
        3.3.1 顆粒形狀及傾角的影響
        3.3.2 構(gòu)建曳力系數(shù)新關(guān)聯(lián)式
    3.4 橢球形顆粒的傳熱特性及新關(guān)聯(lián)式
        3.4.1 顆粒形狀及傾角的影響
        3.4.2 構(gòu)建平均Nu新關(guān)聯(lián)式
    3.5 本章小結(jié)
第四章 非對稱橢球形顆粒曳力機(jī)制與傳熱特性研究
    4.1 問題描述
    4.2 模型準(zhǔn)確性驗證
        4.2.1 曳力系數(shù)的驗證
        4.2.2 平均努塞爾數(shù)的驗證
    4.3 非對稱橢球形顆粒的受力與傳熱分析
        4.3.1 顆粒曳力特征分析
        4.3.2 顆粒升力特征分析
        4.3.3 顆粒的傳熱特性分析
    4.4 與已有關(guān)聯(lián)式的對比分析
    4.5 構(gòu)建新關(guān)聯(lián)式
        4.5.1 形狀因子的影響分析
        4.5.2 構(gòu)建曳力系數(shù)與平均努塞爾數(shù)新關(guān)聯(lián)式
    4.6 本章小結(jié)
第五章 顆粒尺度的串列非球形顆粒及多顆粒陣列的流固耦合研究
    5.1 問題描述
    5.2 模型準(zhǔn)確性驗證
        5.2.1 單顆粒強(qiáng)制對流
        5.2.2 雙球形顆粒相互作用
    5.3 顆粒尾部流場特征分析
    5.4 顆粒間相對距離的影響
        5.4.1 顆粒間距對曳力系數(shù)的影響
        5.4.2 顆粒間距對傳熱特性的影響
        5.4.3 構(gòu)建新關(guān)聯(lián)式
    5.5 顆粒傾角對流動與傳熱的影響
    5.6 多顆粒陣列內(nèi)的流動與傳熱問題
    5.7 本章小結(jié)
第六章 磁場作用下稠密系統(tǒng)流固耦合研究
    6.1 顆粒場離散元(DEM)模型
        6.1.1 DEM基本原理
        6.1.2 核心數(shù)理模型
        6.1.3 差分格式與時間步長的選取
    6.2 外加磁場下磁顆粒受力的數(shù)學(xué)模型
        6.2.1 非均勻磁場中單個球形顆粒的磁感應(yīng)力
        6.2.2 磁顆粒間的磁感應(yīng)力
    6.3 基于LBM-IBM-DEM的流固耦合算法設(shè)計
    6.4 模型準(zhǔn)確性驗證
        6.4.1 干顆粒運動行為驗證
        6.4.2 非磁性顆粒LBM-IBM-DEM驗證
        6.4.3 顆粒間磁場力的驗證
    6.5 外加均勻磁場下兩顆粒沉降數(shù)值模擬
        6.5.1 經(jīng)典DKT情形
        6.5.2 不同相對位置的兩顆粒沉降
    6.6 磁場影響下顆粒群運動機(jī)制研究
        6.6.1 磁場方向?qū)Υ蓬w粒群動力學(xué)特性的影響
        6.6.2 磁顆粒體積分?jǐn)?shù)對顆粒群運動行為的影響
    6.7 本章小結(jié)
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 本文主要研究成果及創(chuàng)新
    7.2 進(jìn)一步研究的展望
參考文獻(xiàn)
致謝
個人簡歷、在讀博期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和研究成果



本文編號：3817358