《複雜流場中不同尺度剛性和柔性粒子運動機理的LBM研究》是依託中國科學技術大學，由黃海波擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：複雜流場中不同尺度剛性和柔性粒子運動機理的LBM研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：黃海波
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項研究的目的是開展複雜流場中不同三維形狀、不同尺度(從微米到亞毫米.級)的柔性和剛性粒子微觀運動機理的格子玻爾茲曼方法(LBM)數值模擬研究，一方面探討復.雜流動中粒子的運動機理，另一方面發展相關LBM 方法，其研究成果可為水利化工、生物醫.藥等工程實際問題提供重要的理論依據。研究內容主要包括：發展和完善典型的流固耦合LBM 方法；提高LBM 模擬複雜流動(包含粒子)的數值穩定性；改進現有的柔性流固耦合方法及發展LBM 套用於多相流的複雜流動問題；通過LBM 大規模並行計算，探討不同尺度下多個粒子在複雜背景流動中的相互作用規律；研究多種複雜流場中，柔性粒子在不同特徵粗糙壁面附近的運動學特性，探討不同剛度粒子的分離機制；通過模擬剪下流中大量柔性粒子的變形、運動，分析柔性粒子變形運動學特性對懸浮液非牛頓行為的影響。上述研究將對相關工程套用具有指導意義。
結題摘要
剛性、柔性顆粒在流動中運動廣泛地存在於自然界、許多工業套用中並起著重要作用。此項研究可為生物醫藥、水利化工等工程問題提供理論依據。本研究開展了顆粒在流體中運動的LBM數值模擬。流體運動採用LBM求解。柔性顆粒的變形採用有限元方法求解。流固邊界上耦合採用動量交換法或者Immersed boundary方法。研究中通過理論和數值分析，提高了LBM 模擬高雷諾數(Re)時的數值穩定性且發展了運動邊界條件處理方法。本研究揭示了多種橢球及扁粒子在不同Re及初始條件下剪下流中的運動模態。同時利用相對粘性係數（relative viscosity，可表征能量耗散）對粒子懸浮系統的能量耗散做了研究。證實了著名學者Jeffery關於最終模態由能量耗散最小態決定的假說不正確。我們還研究了懸浮橢球、扁粒子在剪下流中系統本徵粘性係數(intrinsic viscosity)、粒子轉動周期與粒子形狀、雷諾數(Re)的關係。預測了各種粒子出現停止轉動模態時的臨界Re_c值。成果已發表在JFM 692, 369-394 (2012)及Phys. Rev. E 86, 046305 (2012)上。本研究發現了橢球粒子在圓管或方管中沉降兩種新模態：螺旋沉降和幾乎豎直的傾斜下降模態。方管中的沉降與圓管中類似，但有兩點不同之處。首先是方管中粒子長軸逐漸轉到方管的對角平面。其次是出現了一種始終繞同一方向翻轉的模態，該方向與通常固體粒子與固體斜面接觸時滾落下來的方向相反。管道形狀的限定及粒子轉動慣性是導致這一非常規翻轉模態的兩個重要因素。成果發表在Phys. of Fluids上且被選為highlight。關於柔性顆粒運動，本研究設計了一種篩選柔性顆粒的分叉渠道，通過獨立調節兩個分叉出口的壓力，可實現對不同剛度的柔性粒子篩選。最終顆粒被篩選到哪個出口是初始橫向放置位置及流量比兩個因素競爭的結果。詳見Comput.& Fluids, 114 (2015)。本研究詳細探討了兩個球形、橢球粒子在管道中的沉降及多個顆粒懸浮液的非牛頓特性。還關注了橢球粒子在Poiseuille流中的遷移規律，發現了一些模態。通過模態比較發現顆粒傾向於使自身動能達到最小的模態。本研究對柔性顆粒的變形模態進行了理論分析和數值模擬，發現了一般流動中的柔性粒子變形模態轉變的新方式。還分析了剪下流中柔性粒子變形運動對懸浮液非牛頓行為的影響。
