本文選題：格子玻爾茲曼方法　切入點(diǎn)：橢球粒子　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：本文采用格子玻爾茲曼方法,數(shù)值研究了橢球粒子在三種簡(jiǎn)單流動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,包括橢球粒子在平板Couette流中的轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題、無(wú)限長(zhǎng)豎直管道內(nèi)的沉降模態(tài)以及在Poiseuille流中的運(yùn)動(dòng)特性。主要工作及研究成果如下：(1)對(duì)兩種形狀的橢球粒子,即長(zhǎng)條形和扁形的橢球粒子進(jìn)行了細(xì)致的模擬,通過(guò)一系列的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)了幾種橢球粒子的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)。比較特殊的是,在305Re345區(qū)間內(nèi),長(zhǎng)條形橢球粒子可能會(huì)出現(xiàn)一種特別的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)。在這種模態(tài)中,長(zhǎng)條形橢球粒子會(huì)繞著其比較靠近兩平板中間面的傾斜軸轉(zhuǎn)動(dòng),并且伴隨有進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)運(yùn)動(dòng)。但是在345Re385內(nèi),長(zhǎng)條形橢球粒子會(huì)圍繞著渦矢量方向做章動(dòng)運(yùn)動(dòng)。同時(shí),本文還在較高Re445區(qū)間內(nèi),發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)條形橢球粒子停轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),橢球粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)不僅僅和流場(chǎng)的Re有關(guān),而且還依賴于橢球粒子的初始放置方位,因此,本文通過(guò)對(duì)流場(chǎng)Re分區(qū)討論,給出了粒子在不同Re區(qū)間可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài),并對(duì)粒子的初始放置方位對(duì)粒子最終轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)的影響進(jìn)行了詳細(xì)地討論。在同一個(gè)Re區(qū)間內(nèi),橢球粒子可能會(huì)出現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài),但是本文發(fā)現(xiàn),當(dāng)長(zhǎng)條形橢球粒子在Re120和385Re445區(qū)間范圍內(nèi),僅僅只出現(xiàn)一種轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài),而在本文計(jì)算的其它范圍內(nèi),由于不同初始條件的影響,可能會(huì)出現(xiàn)兩種以上的轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)。但是通過(guò)大量算例模擬,本文發(fā)現(xiàn)扁形橢球粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)與其初始放置方位并無(wú)緊密聯(lián)系。(2)討論了幾種不同管道,包括圓形管道和方形管道,以及長(zhǎng)條形粒子和扁形粒子的沉降模態(tài)。通過(guò)模擬一系列算例,我們發(fā)現(xiàn)了幾種典型的沉降模態(tài),包括翻轉(zhuǎn)模態(tài)、傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)、水平沉降模態(tài)、螺旋沉降模態(tài)、非常規(guī)式沉降模態(tài)以及擺動(dòng)模態(tài)。粒子對(duì)最終沉降模態(tài)的選擇和管道與粒子寬度比以及Re有關(guān),并不依賴于初始的放置位置和放置時(shí)的角度取向。通過(guò)比幾種形狀的管道,本文發(fā)現(xiàn)粒子在方形管道中存在很明顯的對(duì)角面優(yōu)勢(shì)。本章中還詳細(xì)討論了粒子的沉降速度與粒子和流體密度比以及和模態(tài)轉(zhuǎn)變之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在某些參數(shù)條件下存在一種特殊現(xiàn)象,由于模態(tài)的轉(zhuǎn)變,略輕的粒子反而沉降速度比略重的粒子更大。本章通過(guò)計(jì)算一系列算例,給出了粒子沉降模態(tài)和伽利略數(shù)(Ga)以及管道寬度之間的相圖關(guān)系。本章還嘗試給出粒子選擇某種沉降模態(tài)的原因,發(fā)現(xiàn)粒子可能趨向于使得粒子本身沉降速度更快的模態(tài)。本章的研究有助于理解粒子沉降模態(tài)與管道壁面效應(yīng)之間的規(guī)律。(3)討論了幾種不同的管道,包括圓形管道、方形管道和矩形管道,以及長(zhǎng)條形和扁形橢球粒子的運(yùn)動(dòng)特征。通過(guò)計(jì)算本文發(fā)現(xiàn)了橢球粒子的幾種典型的運(yùn)動(dòng)模態(tài)。管道的大小和形狀對(duì)橢球粒子的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大影響。在圓形管道中本文發(fā)現(xiàn)對(duì)于長(zhǎng)條形橢球粒子而言,翻轉(zhuǎn)模態(tài)是穩(wěn)定的而滾動(dòng)模態(tài)是不穩(wěn)定的,扁形橢球粒子恰好和其相反。本章詳細(xì)對(duì)比研究了這兩種不同形狀的橢球粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)特征并重點(diǎn)討論了管道尺寸和Re對(duì)這兩種粒子運(yùn)動(dòng)形態(tài)的影響。本章發(fā)現(xiàn)在中等寬度的方形管道中,橢球粒子的運(yùn)動(dòng)明顯受到對(duì)角面效應(yīng)的吸引,而在較窄和較寬的方形管道中對(duì)角面效應(yīng)則不強(qiáng)烈,而是出現(xiàn)船槳式擺動(dòng)模態(tài)和垂直于對(duì)角面的滾動(dòng)式模態(tài)。在矩形管道中長(zhǎng)條形橢球粒子的滾動(dòng)模態(tài)可以穩(wěn)定地存在。通過(guò)對(duì)比橢球粒子的模態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程,本章發(fā)現(xiàn)粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中趨向于選擇所獲得的動(dòng)能較小的模態(tài)。
[Abstract]:This paper uses the lattice Boltzmann method, numerical study of spheroidal particles in three kinds of simple flow motion, including rotational ellipsoid particles in plane Couette flow in the settlement mode of infinite length in vertical pipelines and the motion characteristics of Poiseuille flow. The main research results are as follows: and (1) of ellipsoidal particle two kinds of shapes, namely, elongated and flat ellipsoidal particles were detailed simulation, through a series of calculations, found several periodic rotation ellipsoid particles and stable rotation mode mode. Especially, in the range of 305Re345, elongated ellipsoid particles may appear a periodic special the rotation mode. In this mode, elongated ellipsoid particles will around the middle of the plate two closer to the rotation of the plane of the tilt axis, and the precession and nutation movement. But in 345Re385, long Bar spheroidal particles will surround the vorticity vector direction of nutation movement. At the same time, this paper also found high Re445 range, elongated ellipsoid particles stop phenomenon. It was found that the modal rotation ellipsoid particles and the flow field is related not only to Re, but also depends on the initial ellipsoid particles position, therefore, this article through the flow field of Re partition discussion, gives the possible modal particles in different rotation range of Re, and the initial particle effect on the particle rotation range placed the final mode is discussed in detail. In the same Re range, spheroidal particles may appear different rotation mode, but we found that when the long bar ellipsoid particles in Re120 and 385Re445 range, only a rotation mode, and the other range are calculated in this paper, the influence of different initial conditions, may two Turn the mode above. But through a lot of examples in this paper, simulation, rotational modal and initial flat ellipsoid particles placed no close contact. (2) discussed several different channels, including circular pipe and square pipes, and elongated particles and flat particles. Through a series of settlement mode simulation examples, we find that the settlement of several typical modes, including flip mode, tilt rotation mode, the level of settlement mode, spiral settlement mode, unconventional settlement mode and swing mode. The particles on the final settlement mode selection and pipeline and particle width ratio and Re, does not depend on the initial position and orientation angle. By placing the shape of the pipe is several, found that particles have obvious advantages in the diagonal plane of square pipe. This chapter also discusses in detail the velocity and particle settling particle The relationship between the change and the fluid density ratio and mode, we found that there exists a special phenomenon under certain parameter conditions, the modal transformation, but slightly lighter particles settling slightly more heavy particle velocity. This chapter through the calculation of a series of examples, gives the particle settling mode and Galileo number (Ga) phase diagram and the relationship between the width of the pipe. This chapter also tries to give the choice of a modal particle deposition, found particles may tend to make the particle itself faster. The settlement mode of this chapter helps to understand the effect of modal particle sedimentation between the surface and the pipe wall of the law. (3) discussed several different pipeline. Including the circular pipe, square pipe and rectangular pipe, and the elongated and flat ellipsoid particle movement characteristics. Through the calculation of this paper found several typical motion modes ellipsoid particles. The size of pipe And the shape of the ellipsoid particle motion will have a great impact. This paper found that in a circular pipe for elongated ellipsoid particles, turning mode is stable while the rolling mode is unstable, and the flat ellipsoid particles just opposite. This chapter detailed comparative study of the two different shapes of the spheroidal particle rotation characteristics and discusses the influence of pipe size and Re of the two kinds of particle morphology. This chapter found in the square pipe medium width, ellipsoidal particle motion obviously attracted diagonal plane effect, and in the square is narrow and wide pipe in the diagonal plane effect is not strong, but the paddle type the swing mode and perpendicular to the diagonal rolling mode. The rolling mode in rectangular pipeline in elongated ellipsoid particles can exist stably. Through the modal transformation process comparison of ellipsoid particles, the particles found In the process of motion, it tends to select the less kinetic modes obtained.

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O35

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本文編號(hào)：1701079