圓球粒子沉降的數(shù)值模擬及實驗研究.pdf

1、粒子流懸浮流在自然界和工業(yè)應(yīng)用中普遍存在，例如在化學(xué)和石油工業(yè)中就經(jīng)常應(yīng)用不同粒子在沉降行為上的差異來實現(xiàn)粒子和流體，以及不同尺度和性質(zhì)粒子之間的分離。近十多年來，一些針對粒子流的直接數(shù)值模擬方法得到了的很大的發(fā)展，因為直接數(shù)值模擬方法能比較準(zhǔn)確地同時給出懸浮流的微觀和宏觀的信息，因此已成為研究粒子懸浮流的一種重要手段?；诜植际嚼窭嗜粘俗拥奶摂M區(qū)域方法(DLM／FD)是近年來出現(xiàn)的直接數(shù)值模擬粒子流的新方法之一。其基本思想是：通過假

2、設(shè)流體也充滿粒子占據(jù)的空間，這樣把一個幾何復(fù)雜區(qū)域內(nèi)的問題擴(kuò)展到一個相對大的，但幾何簡單的區(qū)域中，控制流體流動的N-S方程和控制粒子運動的剛體運動方程通過無滑移邊界條件和作用在粒子上的力和力矩耦合在一起進(jìn)行求解，而剛體運動的限制則通過一個拉格朗日乘子來施加。這樣在計算時不但作用在粒子上的力和力矩不需要再顯式計算，同時也可以應(yīng)用固定的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和快速求解算法，避免了計算過程中重新更新和劃分網(wǎng)格的需要。 本文對基于分布式拉格朗日乘子

3、的虛擬區(qū)域方法作了詳細(xì)介紹，并在求解算法上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，即采用基于半交錯網(wǎng)格的有限差分方法來求解流體流動子問題，從而大大提高了計算效率。采用基于分布式拉格朗日乘子的虛擬區(qū)域方法，本文對單個、兩個圓球粒子在垂直方槽中的沉降過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了不同雷諾數(shù)下單個圓球粒子的沉降軌跡、沉降速度的變化和相應(yīng)的尾渦結(jié)構(gòu)，也給出了兩個圓球粒子之間的DKT過程。本文還設(shè)計了圓球粒子在垂直方槽中沉降的實驗裝置，對圓球粒子的沉降特性進(jìn)行了實驗研