懸浮顆粒運(yùn)動的格子Boltzmann全解析模擬.pdf

1、顆粒-流體系統(tǒng)廣泛存在于自然界、工業(yè)應(yīng)用、生命科學(xué)等領(lǐng)域，其中對于懸浮顆粒運(yùn)動規(guī)律、顆粒-流場及顆粒-顆粒之間相互作用等的研究是一個熱點(diǎn)難點(diǎn)問題。本文采用格子Boltzmann方法(LBM)全解析并行模擬研究了懸浮顆粒的運(yùn)動過程。顆粒周圍的流場由格子Boltzmann方法全解析，顆粒邊界無滑移條件由附件邊界應(yīng)力(EBF)實(shí)現(xiàn)，直接獲得顆粒-流體之間的作用力，并考慮顆粒間直接碰撞作用，顆粒的運(yùn)動由牛頓運(yùn)動方程求解。
　　本文主要模擬

2、的懸浮顆粒(群)的沉降運(yùn)動過程，通過給出顆粒(群)運(yùn)動軌跡、速度、旋轉(zhuǎn)速度、顆粒間相對位置、顆粒間相互作用等來得到顆粒(群)的運(yùn)動規(guī)律，同時給出流場微觀結(jié)構(gòu)如顆粒尾渦結(jié)構(gòu)、顆粒周圍壓力分布、流場速度場等來進(jìn)一步揭示顆粒-流場及顆粒-顆粒之間的相互作用。
　　首先，本文模擬研究了不同初始排列時的雙顆粒沉降運(yùn)動規(guī)律及背后的機(jī)理，并將顆粒間的相互作用劃分為排斥、吸引與過渡三種機(jī)制，它們的產(chǎn)生與顆粒初始間距及相對角度相關(guān)。在相同初始間距情

3、況下，初始角度起到關(guān)鍵作用：大初始角度時吸引機(jī)制占主導(dǎo)，小初始角時排斥機(jī)制占主導(dǎo)；而在相同初始角度時，初始間距主要影響過渡機(jī)制的分布。
　　其次，本文進(jìn)一步模擬研究了3至100個相同顆粒在豎直通道中的沉降規(guī)律及機(jī)理。本文將顆粒群的沉降運(yùn)動過程劃分為三個階段即加速、減速及振蕩階段，并詳細(xì)討論了影響各個階段的因素，發(fā)現(xiàn)顆粒群沉降運(yùn)動中的DKT現(xiàn)象，排斥運(yùn)動、顆粒團(tuán)聚，V字形沉降結(jié)構(gòu)等，并發(fā)現(xiàn)顆粒尾渦之間的相互作用影響著顆粒(群)的運(yùn)動

4、。同時，本文模擬了周期邊界條件下的顆粒群懸浮運(yùn)動，研究分析了9個及27顆粒的懸浮運(yùn)動過程及規(guī)律。
　　最后，本文模擬了不同粒徑的雙分散顆粒(群)在豎直通道中的沉降過程。詳細(xì)討論了不同粒徑雙顆粒初始豎直排列及并列排列時的沉降規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)小顆粒初始豎直排列在大顆粒上方時，存在一個發(fā)生DKT運(yùn)動的粒徑比臨界值，當(dāng)兩個不同粒徑顆粒并列排列時，排斥作用將不復(fù)存在。并進(jìn)一步模擬了包含兩種粒徑的雙分散顆粒群在豎直通道中的沉降過程，同樣發(fā)現(xiàn)DK