自驱动颗粒及柱状颗粒两相流体动力学特性研究

论文摘要

颗粒悬浮流广泛存在于自然界和工业过程中。本文采用数值方法,对牛顿和非牛顿流体中颗粒的动力学特性和运动学行为做了三个方面的研究工作。第一个方面包括两个小的研究点。其一是提出了 一种结合格子Boltzmann-浸没边界法和奇点分布法的简单自驱动模型。主要研究了该模型在二维槽道牛顿流体中平移和旋转时对整个流场速度分布的影响。发现了自驱动颗粒诱导的流场速度分布偏离麦克斯韦分布,其运动速度强烈依赖于奇点的布置位置。其二是研究了牛顿流体中单个旋子与被动颗粒在两种典型Reynolds数下方腔内的水动力相互作用。结果表明,两粒子系统中被动颗粒与旋子的相对位置在较低Reynolds数下呈现出周期性振荡,且被动颗粒逐渐远离旋子,被动颗粒的振荡幅度和频率与这两者的相对位置以及旋子的转动频率有关。而三粒子系统在较低的Reynolds数下除了微小的振荡外还存在较大的振荡周期,在相对较高Reynolds数下较大振荡周期则消失。被动颗粒的夹角在两种典型Reynolds数下表现出不同的变化特征,在较低Reynolds数下夹角的变化与两个粒子的初始位置有关,而在较高Reynolds数下夹角最终趋于常数。第二个方面是利用格子Boltzmann-浸没边界法对自驱动颗粒在幂律流体中的研究。该研究又可以分为三个小的研究点。第一个是关于单个自驱动颗粒在冪律流体中的动力学特性。研究了 Squirmer（自驱动颗粒）在Reynolds数为0.0005至5区间的游动速度、周围流线、涡量、游动能量消耗以及水动力效率等。发现不同游动模式的Squirmer的游动速度和游动效率对Reynolds数和幂律指数表现出不同程度的依赖性,探讨了各种游动模式的Squirmer游动的机理。第二个是关于单个自驱动颗粒在幂律流体中无滑移壁面附近的动力学特性和运动学行为。获得了不同游动模式的Squirmer在不同幂律指数下的游动行为,首次发现四种新的游动行为,并分析了这些游动行为发生的原因。探讨了各种初始条件对游动行为的影响,发现只有增大游动Reynolds数才能改变Squirmer的游动行为,其原因是Reynolds数的增大减弱了壁面的吸引力。第三个是关于一对自驱动颗粒在幂律流体中的水动力相互作用。研究了幂律指数对两个同种游动模式的Squirmer在并行游动和相向游动时的影响。发现成对的Puller和Pusher的碰撞过程显著不同,并行游动的Pusher会相互吸引而Puller则会首先相互排斥,最终转动成“头顶头”的接触状态。相向运动的一对Pusher非常容易“锁”在某个确定的位置,而一对Puller总是在碰撞之后远离对方。随着幂律指数的增大,Squirmer在发生相互作用的过程中发生转动的难度同步增大。第三个方面是利用有限体积法和四阶龙格库塔方法研究了三维圆柱粒子在二阶流体收缩流道中的动力学特性。首先阐述了二阶流体控制方程、圆柱状粒子运动方程、坐标系的转换以及柱状颗粒与颗粒间的碰撞方式等基本理论。分析了Stokes数、Deborah数、粒子长径比以及收缩率等参数在一定的范围内对三维柱状粒子的空间和取向分布的影响。发现长径比对圆柱状粒子的空间和取向分布影响弱于Stokes数、Deborah数和收缩率。总体而言,沿着流向,粒子从靠近壁面的区域扩散到收缩流场中心,粒子空间分布从进口相对均匀变成不均匀,最终在出口附近处又变成相对均匀的状态。取向分布则单调变化,粒子逐渐沿着流向排列。本文的研究,一方面能够加深对自然界中游动微生物在捕食、复杂游动环境中的水动力机理的理解,为微型游动器件或微型机器人的设计提供参考。另一方面,通过了解非牛顿流体对纤维悬浮粒子的动力学特性的影响,为相关的工业过程和装置的设计提供理论依据。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•     1.1.1 颗粒悬浮流
•     1.1.2 自驱动颗粒运动学和动力学行为
•     1.1.3 非牛顿流体中自驱动颗粒运动学和动力学行为
•     1.1.4 非牛顿流体中三维柱状颗粒两相流
•   1.2 研究方法
•     1.2.1 Squirmer游动模型的建立与发展
•     1.2.2 颗粒悬浮流的数值研究方法
•   1.3 研究进展
•     1.3.1 Squirmer模型研究进展
•     1.3.2 二阶流体粒子多相流研究进展
•   1.4 本文的研究内容和创新点
• 第2章 基本理论及方法
•   2.1 格子Boltzmann-浸没边界法
•     2.1.1 概述
•     2.1.2 单松弛（LBGK）模型
•     2.1.3 二维Squirmer模型
•     2.1.4 多松弛（MRT）模型
•     2.1.5 运动边界的处理
•     2.1.6 流场固定边界条件
•     2.1.7 幂律流体模型
•     2.1.8 碰撞模型
•     2.1.9 计算步骤
•   2.2 本章小结
• 第3章 牛顿流体中自驱动颗粒的动力学特性
•   3.1 引言
•   3.2 自驱动模型
•   3.3 程序验证
•     3.3.1 单个旋子在二维槽道中旋转
•     3.3.2 单个颗粒在竖直槽道中沉降
•   3.4 结果与讨论
•     3.4.1 计算参数
•     3.4.2 单个自驱动颗粒在槽道中平移
•     3.4.3 单个自驱动颗粒在槽道中旋转
•     3.4.4 单个自驱动颗粒在槽道中平移和旋转的相互切换
•     3.4.5 单个旋子在腔体内的运动
•     3.4.6 旋子与单个被动颗粒之间的相互作用
•     3.4.7 旋子与两个被动颗粒之间的相互作用
•   3.5 结论
• 第4章 单个自驱动颗粒在幂律流体中的动力学特性研究
•   4.1 引言
•   4.2 计算程序验证
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 计算参数
•     4.3.2 Pusher和Puller的游动速度
•     4.3.3 流场信息及水动力特点
•   4.4 结论
• 第5章 壁面附近幂律流体中自驱动颗粒的运动学行为研究
•   5.1 引言
•   5.2 计算程序验证
•     5.2.1 槽道流
•     5.2.2 圆柱颗粒在槽道内平移
•     5.2.3 方腔拖曳流
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 幂律指数对游动行为的影响
•     5.3.2 壁面附近流场信息
•     5.3.3 初始取向角度对游动行为的影响
•     5.3.4 初始相对位置对游动行为的影响
•     5.3.5 Reynolds数对游动行为的影响
•   5.4 结论
• 第6章 两个自驱动颗粒在幂律流体中相互作用研究
•   6.1 引言
•   6.2 程序验证及计算参数
•     6.2.1 程序验证
•     6.2.2 计算参数
•   6.3 结果和讨论
•     6.3.1 并行相互作用
•     6.3.2 相向运动时的相互作用
•   6.4 结论
• 第7章 圆柱状粒子在二阶流体收缩流道中的动力学特性研究
•   7.1 引言
•   7.2 基本方程
•     7.2.1 二阶流体控制方程
•     7.2.2 圆柱粒子方程
•     7.2.3 坐标系转换
•     7.2.4 粒子与壁面的碰撞
•   7.3 计算方法及参数定义
•     7.3.1 计算方法
•     7.3.2 主要步骤
•     7.3.3 相关参数定义
•   7.4 结果与讨论
•     7.4.1 流线
•     7.4.2 粒子在x-y平面上的空间分布
•     7.4.3 粒子在x-z平面上的取向分布
•     7.4.4 粒子在x-y平面上的取向分布
•   7.5 结论
• 第8章 总结与展望
•   8.1 全文总结
•   8.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 欧阳振宇

导师: 林建忠,包福兵

关键词: 颗粒悬浮流,非牛顿流体,自驱动颗粒,圆柱状粒子,格子浸没边界法,有限体积法

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 浙江大学

基金: 国家自然科学基金重点项目(No.11632016)

分类号: O359

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000910

总页数: 165

文件大小: 12861K

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