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奇妙的光滑粒子丨研究前沿

已有 690 次阅读 2019-5-17 10:49 |系统分类:科研笔记

在航空航天动力系统中存在着大量的气体–颗粒 ( 以下简称气–粒 ) 两相流动现象。最典型的为固体推进剂铝颗粒的燃烧流动以及液体推进剂或航空燃油的雾化燃烧过程,该过程对于发动机的能量性能、绝热材料的烧蚀性能以及发动机燃烧稳定性具有重要的影响。同时,气–粒两相流还广泛存在于自然界、工业、农业、能源、制造以及环保等领域,典型的有自然界中风沙、冰雹、雨雪的运动,化学工业中的流化床,能源工程中煤的利用,石油、天然气的加工,装备制造业中炼钢炼铁,水泥、化肥和各种粉末材料的生产过程以及高新技术中纳米材料的制备加工,微化工系统及生物代谢过程等均涉及气–粒两相流动。因此,针对气–粒两相流开展研究对指导工程实际具有广泛、深远的意义。

 

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当前有关多相流数值模拟的书籍中,关于气–粒两相流数值方法主要有两种:颗粒轨道模型 ( 又称离散颗粒模型 ) 和颗粒拟流体模型 ( 又称双流体模型 ) 。然而,由于气–粒两相流系统具有多态性和复杂性,采用颗粒轨道模型和颗粒拟流体模型处理均会遇到一些问题。因此,阐述一种新的数值方法,解决现有模型在处理此类问题时遇到的困难,同时对新方法应用于各工程领域中的示范进行描述,将为读者提供一种新的思路。本书系统介绍了气–粒两相流概念及研究现状、气–粒两相流常用模型及方法和无网格SPH方法的基本理论等,为在多相流研究和计算流体力学方面零基础的读者提供一种循序渐进的学习过程,可有力地提升读者对于气–粒两相流问题的认知水平。

 

《光滑离散颗粒流体动力学及与有限体积耦合方法:一种气体-颗粒两相流数值模拟新方法》阐述了作者及研究团队提出的一种全新的求解气–粒两相流动问题的数值模拟方法——光滑离散颗粒流体动力学方法及与有限体积耦合方法,该方法克服了传统颗粒轨道模型求解遇到的运算复杂、计算量大、精度低、无法获取系统宏观特性的问题,克服了传统双流体模型遇到的无法追踪单颗粒运动轨迹、无法捕捉颗粒流动变形细节、不易加入颗粒蒸发燃烧模型等问题。对广泛存在于航空航天、现代化工、能源、冶金、材料以及环保等各领域中的气–粒两相流动问题进行数值模拟,真实再现颗粒碰撞、流动、蒸发、燃烧等细节过程,为揭示两相流动机理、改进装备设计、指导工业生产提供理论依据与技术支撑。

 

全书共10章,第1章主要阐述气–粒两相流动系统的概念、发展现状、SPH研究现状及SDPH方法;第2章主要系统论述多相流求解常用模型及方法,使读者对气–粒两相流计算有深入的了解,同时对气–粒与气 – 液两相流计算模型和方法之间的差别有清晰的理解和认识;第3章主要论述SPH方法的基本思想及积分插值理论,对本书新方法使用的边界施加模型及多相黏性流离散方法进行重点阐述;第4章阐述了基于颗粒动力学模型适于离散颗粒相求解的SDPH方法,通过推导SPH粒子属性与颗粒属性间的关系式,将传统SPH方法进行了改造,同时分析了该方法与传统SPH方法的差别;第5章论述了从基于颗粒动力学的双流体模型出发构建的SDPH与FVM间的耦合框架,并与其他现有的四种数值方法进行对比分析;第6章对含颗粒蒸发与燃烧模型的SDPH-FVM耦合方法进行了深入分析;第7章将气 – 液两相流这一特殊现象从气–粒两相流问题中剥离出来,专设章节进行SPH方法模拟求解的论述;第8章对基于颗粒间碰撞聚合及破碎理论,通过引入结晶动力学中的群体平衡模型,并基于矩方法求解策略所建立的考虑颗粒碰撞聚合、破碎和单颗粒破碎等过程在内的SDPH-FVM耦合新方法进行了详细阐述;第9章对第8章所述新方法在航天领域中的应用进行了详细分析和描述;第10章主要拓展新方法在武器研发、化工、灾害预防、物料输送等其他领域中的应用。

 

希望本书能为多相流研究领域的科研和工程实践提供帮助,对SPH方法及其与传统方法的耦合方法的创新和新的应用领域的开拓起到促进作用。



本文摘编自强洪夫、陈福振著《光滑离散颗粒流体动力学及与有限体积耦合方法:一种气体-颗粒两相流数值模拟新方法》一书文前部分,内容有删节。


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《光滑离散颗粒流体动力学及与有限体积耦合方法:一种气体-颗粒两相流数值模拟新方法》

强洪夫,陈福振 著

北京:科学出版社,2019.3

ISBN 978-7-03-060016-5

责任编辑: 宋无汗 张瑞涛

内容简介

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气体-颗粒(液滴、气泡或固体颗粒)两相流作为自然界和工业生产中很普遍的一种现象,广泛存在于航空航天、现代化工、能源、冶金、材料以及环保等各个领域,对该问题进行研究具有重要的科学价值和实际意义。本书是论述一种全新的求解气体-颗粒两相流动问题数值模拟方法的专著,包括基于颗粒动力学模型的 SDPH 方法的概念、SDPH-FVM 耦合框架及其实现以及考虑颗粒蒸发、燃烧、聚合、破碎等过程的耦合新方法等。全书叙述力求简明扼要,重点突出。本书适用于高等院校力学、工程热物理、航空航天、化工等专业高年级的本科生、研究生,以及相关专业的工程和科研人员使用。


本期编辑丨王芳


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