圓球粒子沉降的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)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(lái)實(shí)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(lái)，一些針對(duì)粒子流的直接數(shù)值模擬方法得到了的很大的發(fā)展，因?yàn)橹苯訑?shù)值模擬方法能比較準(zhǔn)確地同時(shí)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(lái)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(guò)假

2、設(shè)流體也充滿粒子占據(jù)的空間，這樣把一個(gè)幾何復(fù)雜區(qū)域內(nèi)的問(wèn)題擴(kuò)展到一個(gè)相對(duì)大的，但幾何簡(jiǎn)單的區(qū)域中，控制流體流動(dòng)的N-S方程和控制粒子運(yùn)動(dòng)的剛體運(yùn)動(dòng)方程通過(guò)無(wú)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(yùn)動(dòng)的限制則通過(guò)一個(gè)拉格朗日乘子來(lái)施加。這樣在計(jì)算時(shí)不但作用在粒子上的力和力矩不需要再顯式計(jì)算，同時(shí)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(jì)算過(guò)程中重新更新和劃分網(wǎng)格的需要。 本文對(duì)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(cuò)網(wǎng)格的有限差分方法來(lái)求解流體流動(dòng)子問(wèn)題，從而大大提高了計(jì)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(duì)單個(gè)、兩個(gè)圓球粒子在垂直方槽中的沉降過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了不同雷諾數(shù)下單個(gè)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(gè)圓球粒子之間的DKT過(guò)程。本文還設(shè)計(jì)了圓球粒子在垂直方槽中沉降的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)圓球粒子的沉降特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研