基于SPH-DEM耦合方法的液滴沖擊散粒體運動機理研究.pdf

1、液滴沖擊離散顆粒是自然界和工程領域中常見的一種現(xiàn)象，也是一種典型而又復雜的不可壓縮自由表面流動和離散顆粒結構耦合作用問題。此類問題的深入研究為復雜的流體和顆粒間耦合作用的理論和數(shù)值模擬研究提供了新思路，具有重要的理論意義。在工程應用方面為泥沙啟動、土壤侵蝕、河床演變和地質災害預報等問題的研究提供了新的研究手段，具有實際應用價值。
　　本文將光滑粒子流體動力學（SPH）方法與離散單元法（DEM）方法相結合，進行了液滴沖擊散粒體顆粒問

2、題的研究。采用SPH方法模擬了液滴撞擊帶孔壁面的問題，提出了隨計算區(qū)域變化的鏈表搜索法。結合實驗進一步研究了不同物理條件下黏性、重力和內部壓應力波動對鋪展過程中液滴在孔口運動情況的影響，詳細分析了有限時間段內孔口斷面處的壓強變化。研究結果表明，內部壓應力的脈動是導致液滴被吸入孔內并撞擊另一側孔壁形成飛濺現(xiàn)象的主要原因，模擬效果和實驗結果符合良好。
　　在SPH模型中引入范德瓦爾斯狀態(tài)方程中的吸引力來模擬液滴的表面張力。提出了一種改

3、進的Quintic核函數(shù)，用于改善模型中排斥力的不穩(wěn)定問題。模型中的吸引力采用與排斥力不同的插值核函數(shù)來處理，用于改善模型的拉力不穩(wěn)定問題。通過模擬真空中液滴的拉伸振蕩過程，驗證了本文計算模式在 SPH方法中模擬液滴的表面張力中的適用性。并且將模擬拉伸振蕩周期與理論值進行對比，率定了該模式中范德瓦爾斯狀態(tài)方程的拉應力參數(shù)。并采用該模式模擬了考慮壁面黏性剪切力條件下液滴撞擊超疏水壁面過程，通過將模擬數(shù)據(jù)與實驗結果進行對比，分析了壁面黏性剪

4、切力和表面張力對液滴運動過程的影響，研究表明：鋪展過程中液滴受到的壁面黏性剪切力起主要影響，黏性系數(shù)的大小隨著液滴運動速度增加而增大；回縮階段表面張力提供回縮動力，該階段壁面摩擦阻力要小于鋪展階段。
　　提出了一種壁面可濕潤性模擬機制，研究了壁面可濕潤性對液滴靜態(tài)接觸角的影響，模擬了液滴撞擊可濕潤壁面的過程，通過對比模擬數(shù)據(jù)和實驗結果表明：液滴的靜態(tài)接觸角隨著壁面可濕潤系數(shù)的增加而減小，壁面可濕潤性對液滴的鋪展過程影響很?。换乜s和

5、回彈階段壁面可濕潤性的對液滴運動特征的影響較明顯；壁面可濕潤系數(shù)會隨著壁面的飽和程度以及壁面上流體的脈動壓強而改變，壁面飽和度越大壁面可濕潤系數(shù)越小，流體的脈動壓強越大可濕潤系數(shù)越小。
　　針對自由表面流體與離散顆粒相互作用問題提出一種新的SPH-DEM模型耦合方法，并且結合混合編譯原理建立了駕馭式可視化SPH-DEM模擬系統(tǒng)。本文提出的SPH-DEM模型耦合方法中流體粒子和離散顆粒之間的相互作用力包括三部分：排斥力、黏性剪切力和