圆球粒子沉降的数值模拟及实验研究

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粒子流悬浮流在自然界和工业应用中普遍存在，例如在化学和石油工业中就经常应用不同粒子在沉降行为上的差异来实现粒子和流体，以及不同尺度和性质粒子之间的分离。近十多年来，一些针对粒子流的直接数值模拟方法得到了的很大的发展，因为直接数值模拟方法能比较准确地同时给出悬浮流的微观和宏观的信息，因此已成为研究粒子悬浮流的一种重要手段。基于分布式拉格朗日乘子的虚拟区域方法(DLM／FD)是近年来出现的直接数值模拟粒子流的新方法之一。其基本思想是：通过假设流体也充满粒子占据的空间，这样把一个几何复杂区域内的问题扩展到一个相对大的，但几何简单的区域中，控制流体流动的N-S方程和控制粒子运动的刚体运动方程通过无滑移边界条件和作用在粒子上的力和力矩耦合在一起进行求解，而刚体运动的限制则通过一个拉格朗日乘子来施加。这样在计算时不但作用在粒子上的力和力矩不需要再显式计算，同时也可以应用固定的结构化网格和快速求解算法，避免了计算过程中重新更新和划分网格的需要。本文对基于分布式拉格朗日乘子的虚拟区域方法作了详细介绍，并在求解算法上进行了一定的改进，即采用基于半交错网格的有限差分方法来求解流体流动子问题，从而大大提高了计算效率。采用基于分布式拉格朗日乘子的虚拟区域方法，本文对单个、两个圆球粒子在垂直方槽中的沉降过程进行了三维数值模拟，分析了不同雷诺数下单个圆球粒子的沉降轨迹、沉降速度的变化和相应的尾涡结构，也给出了两个圆球粒子之间的DKT过程。本文还设计了圆球粒子在垂直方槽中沉降的实验装置，对圆球粒子的沉降特性进行了实验研究，并且对数值模拟结果进行了验证，实验结果和数值模拟结果吻合较好。

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作者
孙光明;
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作者单位

浙江大学;

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授予单位浙江大学;
学科流体机械及工程
授予学位硕士
导师姓名邵雪明;
年度 2006
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类正交级数（傅里叶级数）;塑性流动问题;
关键词
圆球粒子; 沉降轨迹; 流体流动; 直接数值模拟; DLM; 拉格朗日乘子; 虚拟区域; 雷诺数;

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