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基于dugks方法的液滴在剪切流中变形过程的数值研究

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基于DUGKS方法的液滴在剪切流中变形过程的数值研究

作者：苏明宇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

液滴悬浮在另一种互不相溶的流体中,在剪切力作用下发生变形。当剪切作用大到一定程度时,液滴会变形至破裂,分裂出多个小液滴。液滴在不相溶流体中受剪切作用发生的变形和破裂在工程、生物医药等领域应用广泛,例如微流体技术和乳化液工... 详细信息

液滴悬浮在另一种互不相溶的流体中,在剪切力作用下发生变形。当剪切作用大到一定程度时,液滴会变形至破裂,分裂出多个小液滴。液滴在不相溶流体中受剪切作用发生的变形和破裂在工程、生物医药等领域应用广泛,例如微流体技术和乳化液工业。液滴在均匀剪切流中的变形过程可以由剪切力与表面张力之比(毛细管数)、液滴粘度与外部流体粘度之比(粘度比)和流体惯性力与粘性力之比(雷诺数)来描述。但是,在工业实际中,比如微流控芯片中,管内流动与液滴形变均受到壁面约束的影响。因此,需要额外考虑壁面约束来描述剪切两相液滴系统。本研究利用基于相场理论的离散统一气体动理学(dugks)两相模型,研究初始圆形的二维液滴在壁面相对运动引起的剪切流作用下的变形过程。除了上述物理参数,液滴变形还可能会受到数值方法中二个数值参数的影响:就是佩克莱特数(:对流扩散与相场模型里的数值扩散的比值)和卡恩数(:界面厚度W与初始液滴半径R之比)对数值计算精度与数值稳定性的影响。论文重点是分析毛细管数、粘度比、壁面约束以及雷诺数对液滴变形的影响。通过数值实验,发现对于缓慢剪切流动,当液滴半径为界面厚度的10倍且佩克莱特数小于1时,数值耗散较大,计算结果会不准确。在给定界面厚度的情况下,卡恩数越高,数值耗散越大。数值模拟结果显示,如果初始液滴半径小于10W或者卡恩数大于0.1,液滴的变形参数由于数值耗散会无法准确模拟。不考虑流体惯性,液滴在小毛细管数条件下会变形至近似椭圆。毛细管数越大,液滴的变形参数越大,倾斜角越小,与文献结果吻合。考虑壁面效应时,不同粘度比下的剪切流中二维液滴的变形参数和毛细管数仍然近似线性相关,但是比例因子与壁面约束和粘度比有关。壁面约束大于0.4时,即使液滴依旧变形为近似椭圆状,Taylor模型不再适用,说明壁面效应不能忽略。较大毛细管数和粘度比下的dugks结果与文献三维结果存在偏差,但是与文献中二维变形问题的预测一致,说明了dugks两相模型结果可靠,也为二维液滴问题与三维问题存在定量偏差提供了新的数据。研究发现,在有限雷诺数或比较大的毛细管数条件下,液滴的稳态形状明显和椭圆有偏差,并且这种偏差随着壁面约束而增强。本研究证明了结合相场理论的dugks两相模型可以成功应用于液液两相流的研究中。

关键词：剪切流液滴变形相场模型 dugks

基于相场模型和离散统一气体动理学方法(dugks)的衰减湍流中液滴演化研究

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基于相场模型和离散统一气体动理学方法(DUGKS)的衰减湍流中液滴...

Large-eddy simulation of wall-bounded turbulent flow with high-order discrete unified gas-kinetic scheme

第十一届全国流体力学学术会议

作者：赖俊陈涛章盛祺王连平肖左利北京大学工学院力学与工程科学系南方科技大学工学院力学与航空航天系

本文基于相场模型,结合初始条件和动量方程,给出了准稳态液滴的解析结果,并提出一种利用表面能和表面张力计算界面面积的新方法。基于离散统一气体动理学方法(dugks)和相场模型,开发了一种直接数值模拟(DNS)程序来模拟不混溶的两相流动... 详细信息

本文基于相场模型,结合初始条件和动量方程,给出了准稳态液滴的解析结果,并提出一种利用表面能和表面张力计算界面面积的新方法。基于离散统一气体动理学方法(dugks)和相场模型,开发了一种直接数值模拟(DNS)程序来模拟不混溶的两相流动。此程序利用双Boltzmann方程,结合合适的平衡态分布函数和源项,模拟Cahn-Hilliard-Navier-Stokes系统的物理过程。模拟结果和准静态液滴的理论结果做了相互验证,并结合衰减湍流场中的弱变形液滴验证了程序也能模拟单相湍流。在此基础之上,对单个液滴在均匀各向同性衰减湍流中的破裂进行了数值模拟,揭示了液滴在衰减湍流中演化的变形、破碎、恢复这三个阶段。

关键词：两相流湍流相场模型 dugks 液滴破碎

来源： cnki会议评论

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Advances in Aerodynamics 2020年第1期2卷 528-554页

作者： Rui Zhang Chengwen Zhong Sha Liu Congshan Zhuo School of Aeronautics Northwestern Polytechnical University127 West Youyi Road710072Xi’anPeople’s Republic of China National Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research Northwestern Polytechnical University127 West Youyi Road710072Xi’anPeople’s Republic of China

In this paper,we introduce the discrete Maxwellian equilibrium distribution function for incompressible flow and force term into the two-stage third-order Discrete Unified Gas-Kinetic Scheme(dugks)for simulating low-speed turbulent *** Wall-Adapting Local Eddy-viscosity(WALE)and Vreman sub-grid models for Large-Eddy Simulations(LES)of turbulent flows are coupled within the present ***,the implicit LES are also presented to verify the effect of LES models.A parallel implementation strategy for the present framework is developed,and three canonical wall-bounded turbulent flow cases are investigated,including the fully developed turbulent channel flow at a friction Reynolds number(Re)about 180,the turbulent plane Couette flow at a friction Re number about 93 and lid-driven cubical cavity flow at a Re number of *** turbulence statistics,including mean velocity,the *** velocity,Reynolds stress,*** computed by the present *** predictions match precisely with each other,and they are both in reasonable agreement with the benchmark data of ***,the predicted flow physics of three-dimensional lid-driven cavity flow are consistent with the description from abundant *** present numerical results verify that the present two-stage third-order dugks-based LES method is capable for simulating inhomogeneous wall-bounded turbulent flows and getting reliable results with relatively coarse grids.

关键词： Large-eddy simulation Wall-bounded turbulent flow dugks High order scheme

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液滴通过孔喉结构动力学行为的数值研究

工程热物理学报 2020年第12期41卷 2992-3000页

作者：何双午张春华郭照立华中科技大学煤燃烧国家重点实验室武汉430074

本文基于离散统一气体动理学(dugks)两相流模型研究了单个液滴通过孔喉结构的流动行为。首先通过模拟二维平直微孔中夹层泊肃叶流的速度场和相渗曲线,验证了模型的准确性。然后研究了液滴在通过孔喉结构时的界面演变过程,通过液滴速度-... 详细信息

本文基于离散统一气体动理学(dugks)两相流模型研究了单个液滴通过孔喉结构的流动行为。首先通过模拟二维平直微孔中夹层泊肃叶流的速度场和相渗曲线,验证了模型的准确性。然后研究了液滴在通过孔喉结构时的界面演变过程,通过液滴速度-时间曲线分析了液滴整个过程中的动力学行为。结果发现,液滴存在捕捉和释放两种形态。其中捕捉形态包括上板面捕捉和下板面捕捉。通过分析孔径-液滴直径比和韦伯数以及奥内佐格数的定量关系,得到了液滴的捕捉形态和释放形态之间的分界线表达式。

关键词： dugks 两相流液滴孔喉结构临界曲线

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离散统一气体动理学格式的浸入边界方法

工程热物理学报 2016年第3期37卷 539-544页

作者：张浩龙陶实郭照立华中科技大学煤燃烧国家重点实验室武汉430074

实现了离散统一气体动理学格式(dugks)与浸入边界(IB)方法的结合(IB-dugks)。通过Strang-splitting方法来引入外力,提高计算的稳定性。每一时间步先计算得到不考虑边界时的流场预估速度,通过多重直接力的方法计算受力,并对预估速度进行... 详细信息

实现了离散统一气体动理学格式(dugks)与浸入边界(IB)方法的结合(IB-dugks)。通过Strang-splitting方法来引入外力,提高计算的稳定性。每一时间步先计算得到不考虑边界时的流场预估速度,通过多重直接力的方法计算受力,并对预估速度进行修正,使之满足无滑移边界条件。该方法结合了dugks与IB两者的优点。并且对于Taylor-Green涡、圆柱绕流及静止流体中的圆柱振荡问题进行模拟,模拟的结果与文献结果十分吻合。

关键词： dugks 浸入边界法流固耦合动边界

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高热导率双颗粒热浮升特性的数值模拟研究

计算物理 2024年

作者：严祥晖翁万良何清杨小平陶实东莞理工学院广东省分布式能源系统重点实验室

为考察多颗粒系统的流动传热特性，采用数值模拟方法研究了高热导双颗粒在冷流体中的热浮升过程。数值方法为多尺度离散统一气体动理学格式(dugks)。模拟的参数范围如下：垂向间距2 ≤ H/D ≤ 5、水平间距2 ≤ S/D ≤ 4、相对角度15° ... 详细信息

为考察多颗粒系统的流动传热特性，采用数值模拟方法研究了高热导双颗粒在冷流体中的热浮升过程。数值方法为多尺度离散统一气体动理学格式(dugks)。模拟的参数范围如下：垂向间距2 ≤ H/D ≤ 5、水平间距2 ≤ S/D ≤ 4、相对角度15° ≤ θ ≤ 75°、雷诺数20 ≤ Re ≤ 80以及格拉晓夫数500 ≤ Gr ≤ 2000。结果表明，竖直放置条件下，颗粒间距较近时一次接触后又会迅速发生二次碰撞。水平放置时，颗粒间吸引效应明显，碰撞前均会发生旋转，首次碰撞出现在下降阶段，且不产生翻滚现象。θ减小，颗粒相互作用增强，越易发生多次碰撞。H/D增大，颗粒的最大浮升高度下降。此外，随着Re增大，颗粒浮升能力减弱，当Gr增大时，颗粒的首次碰撞时间提前，上浮能力更强。

关键词：颗粒流热浮升 dugks 高热导率二次碰撞

基于离散统一气体动理论格式的微尺度流动研究

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基于离散统一气体动理论格式的微尺度流动研究

作者：刘红涛哈尔滨工业大学

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微型设备内部通常具有很高的表体积比,流动区域可以覆盖连续流域、滑流流域甚至过渡流域,捕捉微流动中的多尺度流域流动特性是一大难题。目前大部分模拟算法仅在特定流域内经济有效,无法在精度与效率方面同时满足微流动工程实际需求。... 详细信息

微型设备内部通常具有很高的表体积比,流动区域可以覆盖连续流域、滑流流域甚至过渡流域,捕捉微流动中的多尺度流域流动特性是一大难题。目前大部分模拟算法仅在特定流域内经济有效,无法在精度与效率方面同时满足微流动工程实际需求。为有效解决微尺度流动中捕捉多尺度流域流动特性这一难题,本文在离散统一气体动理论格式(dugks)基础上,进一步建立了含力项dugks与双分布dugks两大模型,进行了模型验证,开展了等温微通道流动特性、微喷管流动特性及推进性能的研究。针对等温低速微流动,本文建立了含力项等温dugks模型,分析了等温微通道流动。模拟了压力驱动的长微通道流,模拟结果与DSMC结果及实验值吻合较好,验证了编制程序的正确性。进而模拟了全流域下恒外力驱动的微通道流动,研究结果表明,随着克努森数(Kn数)升高,气体稀薄效应增强,滑移速度逐渐增大,并且质量流率出现了拐点。模拟结果与参考解基本吻合,验证了模型的正确性,同时也表明了模型能够胜任全流域的模拟。针对变温高速微流动,在等温dugks模型基础上,本文进一步建立了含总能分布函数的双分布dugks模型,研究了微喷管的流动特性及推进性能。分析了背压及器壁黏性对微喷管流动特性的影响,出口存在背压时会引起气体分流及回流,还会产生不同强度的压缩-膨胀波,采用无黏器壁时会减少该波动效应。进一步分析了入口压力、微喷管尺寸、入口温度对微喷管推进性能的影响,增大入口压力、微喷管尺寸可获得更大的推力,更高的比冲;增大入口温度,虽然可以获得更高的比冲,但牺牲了推进效率。研究结果表明,可通过Kn数表征微喷管的推进性能,通过调整入口压力、喷管尺寸、入口温度获取较小的Kn数,可以获得更好的推进性能。

关键词：微流动 Boltzmann方程气体动理论 dugks 微喷管

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辐射输运的离散统一气体动理学格式

辐射输运的离散统一气体动理学格式

作者：宋新亮华中科技大学

学位级别：硕士

热辐射作为基本的热量传递方式,目前人们已经发展了多类求解介质辐射输运问题的数值方法。但对光学厚度变化很大的多尺度问题,许多数值方法会遇到计算效率低或精度差的问题。因此发展适用于多尺度辐射输运的数值方法就很有必要。最近提... 详细信息

热辐射作为基本的热量传递方式,目前人们已经发展了多类求解介质辐射输运问题的数值方法。但对光学厚度变化很大的多尺度问题,许多数值方法会遇到计算效率低或精度差的问题。因此发展适用于多尺度辐射输运的数值方法就很有必要。最近提出的离散统一气体动理学方法（Discrete Unified Gas Kinetic Scheme,dugks）就是一种多尺度方法,该方法在多尺度气体流动的研究中取得了很大的进展。但在辐射输运领域还未得到很好的发展。本文基于辐射输运方程,发展了dugks方法,并针对若干相关的辐射输运问题进行了数值模拟和分析。本文主要工作内容如下:（1）发展了求解灰体各向异性散射辐射传输的dugks方法,各向异性散射相函数用勒让德多项式序列近似,并通过一维和二维的算例对dugks方法进行了验证。结果表明,介质的各向异性散射对计算域内热流的分布具有显著影响,不能忽视。（2）运用构造的dugks对存在大消光系数差的多尺度介质辐射传热问题进行了模拟。dugks的渐进保持特性,使得网格尺寸不受光子平均自由程（MFP）的限制,同时也避免了耦合法求解多尺度辐射输运问题时存在的不同方法之间耦合困难的问题。（3）提出了求解瞬态辐射-导热耦合传热的混合dugks方法,运用dugks方法求解辐射输运方程,有限体积法（FVM）求解能量方程。通过对存在壁面温差的一维、二维问题的模拟,验证了dugks-FVM的准确性。该混合方法为辐射-导热耦合问题的求解提供了一种新的求解方法。总之,本文扩展了dugks来模拟辐射输运问题,并且着重关注了介质的各向异性散射特性以及多尺度特性。并且针对辐射-导热的耦合传热提出了一种混合的dugks方法,为相关方面的研究奠定了基础。

关键词：灰体辐射输运方程各向异性散射辐射-导热耦合传热 dugks

可压缩均匀各向同性湍流的介观模型设计和直接数值模拟

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可压缩均匀各向同性湍流的介观模型设计和直接数值模拟