颗粒在粘弹性流体中运动沉降的格子Boltzmann方法数值模拟

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实际工业中颗粒在粘弹性流体中的沉降是一种比较常见的两相流问题,比如:高聚合物的成型工艺等。对该类两相流问题,传统CFD方法对于复杂边界等问题的处理存在难题,而格子Boltzmann方法(LBM)能方便地处理该问题,且程序简单、并行性良好,能为其提供新的解决方法和思路。本文通过LBM研究粘弹性流体绕柱流问题和颗粒在粘弹性流体流道内的沉降规律,具体研究内容如下:首先,基于点源颗粒的LBE方法分析颗粒相对质量M和初始位置Y、雷诺数Re、和威森伯格数Wi对颗粒在粘弹性流体流道内沉降的影响。结果表明:颗粒沉降落点随着M的减小以及Re和Y的增加而越来越远,而Wi则基本不影响颗粒的沉降。另外,由于收缩管内涡的存在,颗粒运动轨迹会出现先下降后上升再下降的趋势。然后,用双分布函数耦合求解二维Oldroyd-B型粘弹流体绕柱流问题,用光滑剖面法(smoothprofile method,SPM)处理颗粒边界,验证SPM在绕圆柱体流动中的可能性,并将该方法拓展到绕椭圆柱流动,讨论椭圆柱几何尺寸α对流动的影响。最后,分析绕双柱体流动问题,讨论间距S和柱体形状对流动的影响。结果表明:0.1≤Wi≤1.2时,该方法在绕圆柱流动中的模拟结果与前人结果比较吻合。最后,用SPM处理颗粒边界,基于有限体积颗粒的LBE方法分析以上参数对颗粒在粘弹性流体流道内沉降的影响,并与点源法结果相比。最后,分析颗粒运动时,颗粒的运动情况以及流场流况,并与绕单个圆柱流动结果相比。结果表明:与点源法相比,以上四个参数对颗粒沉降的影响基本一致。另外,颗粒旋转会影响颗粒左右两边的流场分布。
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