本文關(guān)鍵詞：基于SPH-DEM耦合方法的液滴沖擊散粒體運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究

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【摘要】：液滴沖擊離散顆粒是自然界和工程領(lǐng)域中常見的一種現(xiàn)象,也是一種典型而又復(fù)雜的不可壓縮自由表面流動(dòng)和離散顆粒結(jié)構(gòu)耦合作用問題。此類問題的深入研究為復(fù)雜的流體和顆粒間耦合作用的理論和數(shù)值模擬研究提供了新思路,具有重要的理論意義。在工程應(yīng)用方面為泥沙啟動(dòng)、土壤侵蝕、河床演變和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)等問題的研究提供了新的研究手段,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文將光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)方法與離散單元法(DEM)方法相結(jié)合,進(jìn)行了液滴沖擊散粒體顆粒問題的研究。采用SPH方法模擬了液滴撞擊帶孔壁面的問題,提出了隨計(jì)算區(qū)域變化的鏈表搜索法。結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了不同物理?xiàng)l件下黏性、重力和內(nèi)部壓應(yīng)力波動(dòng)對(duì)鋪展過程中液滴在孔口運(yùn)動(dòng)情況的影響,詳細(xì)分析了有限時(shí)間段內(nèi)孔口斷面處的壓強(qiáng)變化。研究結(jié)果表明,內(nèi)部壓應(yīng)力的脈動(dòng)是導(dǎo)致液滴被吸入孔內(nèi)并撞擊另一側(cè)孔壁形成飛濺現(xiàn)象的主要原因,模擬效果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。在SPH模型中引入范德瓦爾斯?fàn)顟B(tài)方程中的吸引力來(lái)模擬液滴的表面張力。提出了一種改進(jìn)的Quintic核函數(shù),用于改善模型中排斥力的不穩(wěn)定問題。模型中的吸引力采用與排斥力不同的插值核函數(shù)來(lái)處理,用于改善模型的拉力不穩(wěn)定問題。通過模擬真空中液滴的拉伸振蕩過程,驗(yàn)證了本文計(jì)算模式在SPH方法中模擬液滴的表面張力中的適用性。并且將模擬拉伸振蕩周期與理論值進(jìn)行對(duì)比,率定了該模式中范德瓦爾斯?fàn)顟B(tài)方程的拉應(yīng)力參數(shù)。并采用該模式模擬了考慮壁面黏性剪切力條件下液滴撞擊超疏水壁面過程,通過將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析了壁面黏性剪切力和表面張力對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)過程的影響,研究表明:鋪展過程中液滴受到的壁面黏性剪切力起主要影響,黏性系數(shù)的大小隨著液滴運(yùn)動(dòng)速度增加而增大;回縮階段表面張力提供回縮動(dòng)力,該階段壁面摩擦阻力要小于鋪展階段。提出了一種壁面可濕潤(rùn)性模擬機(jī)制,研究了壁面可濕潤(rùn)性對(duì)液滴靜態(tài)接觸角的影響,模擬了液滴撞擊可濕潤(rùn)壁面的過程,通過對(duì)比模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:液滴的靜態(tài)接觸角隨著壁面可濕潤(rùn)系數(shù)的增加而減小,壁面可濕潤(rùn)性對(duì)液滴的鋪展過程影響很小;回縮和回彈階段壁面可濕潤(rùn)性的對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)特征的影響較明顯;壁面可濕潤(rùn)系數(shù)會(huì)隨著壁面的飽和程度以及壁面上流體的脈動(dòng)壓強(qiáng)而改變,壁面飽和度越大壁面可濕潤(rùn)系數(shù)越小,流體的脈動(dòng)壓強(qiáng)越大可濕潤(rùn)系數(shù)越小。針對(duì)自由表面流體與離散顆粒相互作用問題提出一種新的SPH-DEM模型耦合方法,并且結(jié)合混合編譯原理建立了駕馭式可視化SPH-DEM模擬系統(tǒng)。本文提出的SPH-DEM模型耦合方法中流體粒子和離散顆粒之間的相互作用力包括三部分:排斥力、黏性剪切力和毛細(xì)作用導(dǎo)致的吸附力。通過模擬液滴沖擊散粒體過程,驗(yàn)證了本文提出的SPH-DEM模型耦合方法在處理該方面問題中的適用性。設(shè)計(jì)了沖擊散粒體實(shí)驗(yàn),分析了顆粒粒徑大小對(duì)液滴撞擊運(yùn)動(dòng)的影響。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,分析了液滴鋪展和回縮以及液滴表面散粒體運(yùn)動(dòng)過程和作用機(jī)理,討論了顆粒的可濕潤(rùn)性對(duì)液滴鋪展直徑變化的影響。
【關(guān)鍵詞】：SPH DEM 表面張力 散粒體 多相流
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O359
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-26
• 1.1 本文研究意義11-12
• 1.2 液滴碰撞問題的研究現(xiàn)狀12-18
• 1.2.1 液滴沖擊壁面的實(shí)驗(yàn)研究12-13
• 1.2.2 液滴撞擊液面的實(shí)驗(yàn)研究13-14
• 1.2.3 液滴沖擊散粒體的實(shí)驗(yàn)研究14-15
• 1.2.4 液滴撞擊問題的數(shù)值模擬研究15-18
• 1.3 本文數(shù)值模擬方法概述18-23
• 1.3.1 光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）方法18-19
• 1.3.2 SPH方法的邊界條件處理19-21
• 1.3.3 離散單元法（DEM）21-23
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容23-26
• 1.4.1 本文主要工作23-24
• 1.4.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)24-26
• 第二章 SPH方法理論26-49
• 2.1 SPH的基本思想26-27
• 2.2 SPH的核函數(shù)27-31
• 2.3 SPH的控制方程31-35
• 2.3.1 連續(xù)方程31-32
• 2.3.2 運(yùn)動(dòng)方程32-34
• 2.3.3 狀態(tài)方程34-35
• 2.4 表面張力35-37
• 2.5 數(shù)值處理方法37-47
• 2.5.1 插值精度的修正37-40
• 2.5.2 應(yīng)力不穩(wěn)定40-43
• 2.5.3 核心斥力43-44
• 2.5.4 固壁邊界條件44-46
• 2.5.5 位移積分46-47
• 2.6 小結(jié)47-49
• 第三章 SPH-DEM耦合方法理論49-61
• 3.1 DEM的基本思想49-50
• 3.2 DEM的接觸算法50-54
• 3.2.1 接觸模式50-52
• 3.2.2 接觸力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 不透水固體邊界問題56-57
• 3.4.2 固體顆粒邊界問題57-60
• 3.5 小結(jié)60-61
• 第四章 顆粒撞擊固壁問題的模擬61-88
• 4.1 SPH模型的建立61-62
• 4.2 液滴撞擊帶孔壁面62-67
• 4.3 液滴的表面張力67-71
• 4.4 液滴撞擊超疏水表面71-77
• 4.5 固體壁面的可濕潤(rùn)性77-86
• 4.6 小結(jié)86-88
• 第五章 黏性液滴沖擊散粒體問題的模擬88-110
• 5.1 SPH-DEM耦合系統(tǒng)的建立88-92
• 5.1.1 控制方程88-90
• 5.1.2 SPH-DEM耦合系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)90-92
• 5.2 駕馭式可視化模擬的實(shí)現(xiàn)92-94
• 5.2.1 駕馭式模型的一般結(jié)構(gòu)92-93
• 5.2.2 編譯方法93-94
• 5.3 散粒體堆積問題的模擬94-96
• 5.4 液滴沖擊散粒體的模擬96-103
• 5.5 液滴沖擊散粒體問題的實(shí)驗(yàn)103-107
• 5.6 對(duì)比分析107-109
• 5.7 小結(jié)109-110
• 第六章 結(jié)論與展望110-113
• 6.1 結(jié)論110-111
• 6.2 展望111-113
• 參考文獻(xiàn)113-119
• 發(fā)表論文和科研情況說(shuō)明119-120
• 致謝120-121

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