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基于LBM-IBM-DEM的圆形颗粒在粘性流体中沉降的耦合模型及数值模拟

李浩  
【摘要】:颗粒在粘性流体中的沉降问题在自然界中极其常见,在工程实践中也具有非常广泛的应用,对其流固耦合机理的研究具有非常重要的意义。例如,在河口海岸工程中,固体颗粒在粘性流体中的启动和沉降现象对泥沙淤积和冲刷以及河床变迁和演化等现象都有着重要的影响,而对于桥墩或桩柱周围的淘蚀现象,流场的影响更为重要。前人对流固耦合问题已经有了多方面的研究,但是对于流固耦合机理的讨论还较少,主要原因是固体颗粒的紊乱运动使得流固耦合现象极其复杂。近年来,由于计算机软、硬件的飞速发展,数值模拟已经成为即实验研究和理论分析之后另一种非常有效地科学研究方法,且被越来越多的研究人员认可。相比于传统方法,数值模拟具有经济成本小,安全系数高等优势,且可突破很多在传统实验中的束缚,在开发新设备及优化现有设备方面发挥了巨大的作用。 本文基于格子Blotzmann法(LBM),浸入边界法(IBM),离散单元法(DEM),建立了二维圆形颗粒在不可压牛顿流体中沉降的耦合模型。流场计算采用LBM进行求解;流固耦合力的计算采用基于动量交换法的浸入边界法,其中流固两相分别采用两套独立的网格进行计算,采用欧拉网格对流场进行剖分和计算,对移动颗粒的描述采用拉格朗日网格;离散颗粒的运动轨迹以及颗粒间的相互碰撞利用离散单元法进行跟踪,颗粒间的相互作用准则基于经典的弹性接触力学理论。首先采用该模型对两个颗粒在管道中的沉降问题进行了数值模拟,并与前人结果进行对比,验证了建立模型的正确性。最后,采用耦合模型对圆形颗粒在方腔内粘性流体内沉降问题进行了数值模拟,考虑了带有埋管和无埋管两种情况。主要研究工作如下: 1.针对二维圆形颗粒在不可压粘性流体中的沉降问题,建立基于LBM-IBM-DEM的耦合模型,并研制相应的程序模块; 2.利用基于LBM-IBM-DEM的耦合模型对二维圆形颗粒在不可压粘性流体内沉降的几种不同问题进行数值模拟研究。


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