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槽道和圆管中柱状粒子两相流的研究

库晓珂  
【摘要】:本文主要从以下三个方面进行了研究工作。 将格子Boltzmann方法扩展应用到浓相粒子悬浮流中。格子Boltzmann方法(LBM)是一种新而有效的计算方法,可以用在流体力学的多个领域。LBM应用于粒子悬浮流时组合了粒子的牛顿力学和流体的离散Boltzmann模型。本文采用的模型综合了Aidun和Ding的思想,并加以推广应用到柱状粒子两相流中,同时对于浓相悬浮液,并入了“虚拟格点”和“润滑力”,还考虑了粒子-粒子与粒子-壁面间的碰撞,给出了二维和三维弹性碰撞模型,使得LBM能够模拟接近接触和相互接触的粒子相互作用。本文用三维15位格子Boltzmann模型研究了三维管道高浓度粒子流中圆柱体和长方体粒子的角速度和取向分布问题,其中粒子的尺寸和管道的尺寸属于同一数量级。 研究了非线性物理效应对简单剪切流场中自由悬浮的单个粒子旋转运动的影响。Jeffery的研究表明,悬浮在无界低雷诺数简单剪切流中的单个粒子将沿着周期性轨道运动,并且运动轨道和运动频率依赖于粒子的长径比和初始取向。然而,Jeffery模型没有考虑非线性物理效应(如壁面效应和惯性效应等)的影响,这些效应将扰动Jeffery轨道,而且这些扰动效应很难用理论的方法来分析。本文通过数值模拟的方法研究了简单剪切流场中壁面和流体惯性对单个粒子旋转运动的影响,扩充了Jeffery的结果。其中壁面效应用无量纲化壁面间距表示(定义为壁面间距与粒子长度的比值),流体惯性用基于粒子长度的剪切雷诺数来表示。 研究了复杂槽道内粒子的取向演化。在许多物理和工业过程中,比如挤压模塑、喷射模塑和压缩模塑中,短粒子在复杂槽道内的取向分布是一个重要的问题。本文研究了突然扩张狭缝槽道中和内含一圆柱的狭缝槽道中粒子的取向分布,悬浮液的浓度涵盖了稀相和浓相。在狭缝槽道中,粒子的尺度和槽道的尺度属于同一量级,所以粒子之间以及粒子和壁面、障碍物之间的相互作用会对流动特性和粒子取向产生重大的影响。本文的计算模型全面考虑了这些相互作用。本文选择的复杂槽道提供了同时研究粒子在简单剪切流、拉伸流以及更复杂的扩张处和绕过圆柱后的流动中取向特性的机会,分析这样的复杂流动能够更好地理解复合材料生产过程中粒子的取向特性。同时,通过研究入口处粒子初始取向对槽道中粒子取向分布状态的影响,有利于优化设计和控制制造过程,以得到希望的取向状态。


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