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球形粒子沉降运动的DLM/FD模拟

作　者: 张妍
导　师: 邵雪明
学　校: 浙江大学
专　业: 流体力学
关键词: DLM/FD方法 简单排斥力模型 硬球碰撞模型 软球解析模型 球形粒子的沉降 雷诺数 初始位置
分类号: O35
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 96次
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内容摘要


本文在DLM/FD方法的基础上，改变原有的碰撞模型，分别采用硬球模型和软球解析模型来处理球体之间以及球体和壁面之间的作用，数值模拟了球形粒子在三维方槽中的沉降。通过三种不同碰撞模型的对比，研究了水动力和短程力在粒子浓度不同时的主导作用。并采用软球解析模型研究了雷诺数、初始位置等几个重要参数对球形粒子沉降的影响。 在对球形粒子沉降的研究中，首先采用硬球碰撞模型和软球解析模型进行模拟，得到的结果与实验非常吻合，从而验证了两种模型的可行性。当沉降粒子群浓度非常低如只有单个或两个圆球参与沉降时，对三种模型模拟得到的轨迹、速度进行分析得出结论：无论采用何种模型来处理碰撞的作用，得到的结果是非常接近的，也就是说在圆球并不密集的沉降中，对球体沉降影响较大的是其中的水动力，而不是碰撞时的短程力，完全可以从计算简便快速的角度选择其中一种模型。而对25个球形粒子的沉降模拟结果进行分析，可以发现，由于处理圆球之间以及圆球和壁面之间作用的方式不同，三种模型得出的沉降轨迹、平均沉降速度等不再相似，说明粒子群浓度较大时，起主导作用的是短程力而不再是水动力。 对于三种不同的模型，对碰撞作用的处理方式有很大的不同。原有的DLM/FD方法中采用的是简单排斥力模型，粒子不能真实接触发生碰撞，其中涉及的排斥力不仅和球心位置有关，还和一些碰撞参数有关，而这些碰撞参数并非定值，选择的数值不同，结果也有变化；软球解析模型在低雷诺数时有明显的物理意义，粒子碰撞时能真实接触甚至有些许重叠，碰撞时的作用力和间距、粒子速度以及粒子本身的物理性质有关，不受其它数值不定的参数影响，相对排斥力模型有一定的优势；硬球碰撞模型从能量的角度出发，假设粒子碰撞时能量守恒，碰撞前后直接改变粒子的速度，方法简单、计算简便。采用软球解析模型模拟了不同雷诺数下单个、两个以及25个圆球在三维方槽中的沉降。在单个圆球沉降轨迹的xy视图上，低雷诺数呈一条与壁面平行的线段，而高雷诺数情况下则在平行的两个壁面之间来回振荡或者沿四个壁面依次碰撞。在两个圆球的沉降中，初始位置的改变对低雷诺影响较大，如初始两个圆球肩并肩释放将一直维持这种状况向下运动，但在高雷诺数时则不是如此，雷诺数的不同还会改变两个圆球的球心距。25个圆球沉降中，初始均匀放置，和二维时多个圆形粒子沉降的现象相似，能

全文目录


目录  5-7
摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章 绪论  11-17
  1.1 论文的背景及理论概述  11-14
    1.1.1 粒子的沉降  11-12
    1.1.2 DLM/FD方法的发展  12-14
  1.2 国内外研究现状综述  14-15
    1.2.1 对球形粒子沉降的研究  14-15
    1.2.2 碰撞模型的改进  15
  1.3 本文的研究内容及主要创新点  15-17
第二章 基本理论和方法  17-33
  2.1 基于分布式拉格朗日乘子的虚拟区域方法简介  17-28
    2.1.1 组合动量方程  17-19
    2.1.2 计算方法  19-26
    2.1.3 碰撞理论  26-28
  2.1 软球解析模型  28-31
  2.2 硬球模型  31-33
第三章 球形粒子沉降模拟中三种模型的对比  33-44
  3.1 低浓度(non-concentrated)粒子群中三种模型的对比  33-41
    3.1.1 硬球模型和软球解析模型的三维验证  33-35
    3.1.1 单个圆球的沉降中硬球模型和软球模型的对比  35-37
    3.1.3 两个圆球沉降中三种模型的对比  37-41
  3.2 高浓度(concentrated)粒子群中三种模型的对比  41-44
第四章 软球模型下球形粒子的沉降模拟  44-63
  4.1 单个圆球在方槽中的沉降  44-49
    4.1.1 流场雷诺数对单个圆球沉降的影响  44-49
  4.2 两个圆球在方槽中的沉降  49-60
    4.1.1 两个圆球沉降的DKT过程  49-51
    4.1.2 流场雷诺数对两个圆球沉降的影响  51-58
    4.2.3 初始位置对两个圆球沉降的影响  58-60
  4.3 多个圆球在方槽中的沉降  60-63
第五章 总结  63-64
参考文献  64-68
致谢  68

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 流体力学
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