本書是論述一種全新的求解氣體-顆粒兩相流動問題的數值模擬方法的專著。全書共分十章：緒論、氣體-顆粒兩相流常用模型及方法、SPH方法基本理論、基于顆粒動力學模型的SDPH方法的概念、SDPH-FVM耦合框架及其實現、含顆粒蒸發、燃燒模型的SDPH-FVM耦合方法、求解氣體-液滴兩相流動過程SPH方法、含顆粒碰撞聚合、破碎過程的SDPH-FVM耦合方法、SDPH-FVM耦合方法在航天領域以及其他相關領域中的應用。
目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 氣體顆粒兩相流動系統 1
1,1.1 多相流動和兩相流動 1
1.1.2 氣體顆粒兩相流動所涉及的領域 1
1.1.3 連續介質與離散顆粒 2
1.1.4 描述流動的兩種基本方法 2
1.2 氣體顆粒兩相流研究發展與現狀 3
1.2.1 氣體顆粒兩相流研究的歷史發展 3
1.2.2 氣體顆粒兩相流研究方法 4
1.3 光滑粒子流體動力學研究現狀 10
1.3.1 SPH方法的優勢 11
1,3.2 SPH方法研究進展 12
1.3.3 SPH方法總結評述 15
1.4 SDPH FVM耦合方法提出的必然性 15
1.4.1 SDPH方法 l6
1.4.2 SDPH FVM耦合方法 16
1.5 本書內容安排 17
參考文獻 18
第2章 多相流數值模擬常用模型及方法 28
2.1 雙流體模型 28
2,1.1 模型概述 28
2.1.2 守恒方程 29
2.1.3 曳力模型 31
2.1.4 熱傳導模型 32
2.1.5 算例驗證 33
2.2 混合模型 42
2.2.1 模型概述 42
2,2.2 守恒方程 42
2.2.3 相對速度和滑移速度 44
2.3 顆粒軌道模型 45
2.3.1 模型概述 45
2.3.2 顆粒軌道方程 45
2.3.3 連續相與顆粒相的相間耦合 46
2.3.4 算例驗證 47
2.4 擬顆粒模型 51
2.4.1 模型概述 51
2.4.2 守恒方程 51
2.4.3 擬顆粒與顆粒間相互作用 52
2.5 流體體積函數模型 52
2.5.1 模型概述 52
2.5.2 守恒方程 53
2.5.3 界面追蹤 54
2.5.4 算例驗證 54
2.6 小結 57
參考文獻 58
第3章 SPH方法基本理論 59
3.1 傳統SPH理論 59
3.1.1 函數積分插值 59
3.1.2 粒子近似方法 60
3.2 鄰近粒子搜索 61
3.3 SPH方程積分求解 62
3.4 多相黏性流體的SPH離散方法 64
3.4.1 黏性項公式 64
3.4.2 多相流SPH方程及狀態方程 65
3.4.3 人工應力方法 66
3.4.4 多相黏性流SPH方程 66
3.5 SPH固壁邊界施加模型 67
3.5.1 基于罰函數方法的固壁邊界施加模型 67
3.5.2 基于虛粒子方法的固壁邊界施加模型 71
3.6 小結 73
參考文獻 74
第4章 基于顆粒動力學模型的SDPH方法 76
4.1 顆粒動力學模型 76
4.1.1 顆粒數目密度分布 76
4.1.2 Boltzmann積分微分方程組和一般輸運理論 77
4.1.3 碰撞積分簡化 78
4.1.4 顆粒相的質量、動量和能量守恒方程 80
4.2 用于離散相求解的SDPH方法 82
4.2.1 SDPH方法的基本思想 82
4.2.2 SDPH方法的基本方程 83
4.2.3 SDPH方法與傳統SPH方法的區別 84
4.3 超高速碰撞中的SDPH方法 85
4.3.1 適用于超高速碰撞問題的SPH方程組 86
4.3.2 彈丸和靶板的本構模型 86
4.4 算例驗證 87
4.4.1 Couette流算例驗證 87
4.4.2 鋁球超高速正碰撞鋁薄板算例驗證 90
4.4.3 Whipple防護結構超高速碰撞算例驗證 95
4.5 小結 97
參考文獻 98
第5章 SDPH FVM耦合框架及其實現 100
5.1 求解雙流體模型的SDPH與FVM離散方法 100
5,1.1 顆粒相求解的SDPH方法 100
5.1.2 氣體相求解的FVM方法 102
5.2 SDPH FVM耦合框架及算法流程 103
5.2.1 SDPH FVM耦合框架 103
5.2.2 SDPH FVM耦合算法流程 104
5,2.3 邊界條件 106
5.3 維分層顆粒沉降算例驗證 107
5.4 小結 l09
參考文獻 109
第6章 含顆粒蒸發、燃燒模型的SDPH FVM耦合方法 l10
6.1 顆粒蒸發模型 110
6.2 氣相及顆粒相燃燒模型 112
6.3 氣相爆轟模型 114
6.4 物質組分輸運方程 114
6.5 含顆粒蒸發、燃燒模型的SDPH FVM耦合方法流程 115
6.6 圓盤型顆粒團傳熱過程數值模擬 116
6.7 射流顆粒蒸發過程數值模擬 119
6.8 炸藥爆轟驅動顆粒運動過程數值模擬 123
6.9 小結 l25
參考文獻 126
第7章 求解氣體一液滴兩相流動過程SPH方法 127
7.1 基于連續表面力模型的表面張力算法 128
7.1.1 CSF模型一 l28
7.1.2 CSPM修正的表面張力算法 128
7.2 含壁面附著力模型的表面張力算法 l3l
7.3 氣液大密度差兩相流SPH方法 132
7.3.1 氣液兩相SPH離散方程 133
7,3.2 人工黏性 134
7.3.3 人工應力 135
7.3.4 氣液兩相SPH方程組 136
7.4 氣相場中二元液滴碰撞過程數值模擬 136
7.4.1 空氣中二元液滴正碰數值模擬 137
7.4.2 空氣中二元液滴斜碰數值模擬 140
7.4.3 多個碰撞條件下的二元液滴碰撞數值模擬 144
7.5 液滴在氣相場中二次破碎過程數值模擬 145
7.6 液滴在氣固交界面變形移動過程數值模擬 147
7.6.1 剪切氣流驅動液滴在固體表面變形運動二維數值模擬 l47
7.6.2 剪切氣流驅動液滴在固體表面變形運動三維數值模擬 l52
7.7 小結 l55
參考文獻 155
第8章 含顆粒碰撞聚合、破碎過程的SDPH FVM耦合方法 158
8.1 液滴碰撞理論 158
8.2 液滴二次破碎理論 160
8.3 描述顆粒碰撞聚合、破碎的群體平衡模型 16l
8.4 含顆粒碰撞聚合、破碎過程的SDPH FVM耦合方法流程 165
8.5 氣化流化床顆粒尺寸分布數值模擬 l68
8.6 小結 l73
參考文獻 174
第9章 SDPH FVM耦合方法在航天領域中的應用 175
9.1 固體火箭發動機噴管內氣粒兩相流數值模擬 175
9.2 過載條件下發動機燃燒室內氣粒兩相流數值模擬 179
9.3 大型固體火箭發動機內顆粒燃燒流動數值模擬 l82
9.4 剪切氣流驅動液滴流動、蒸發過程數值模擬 l89
9.5 小結 l93
參考文獻 194
第10章 SDPH FVM耦合方法在其他領域中的應用 196
10.1 SDPH FVM耦合方法在武器研發領域中的應用 196
10.1.1 燃料空氣炸藥爆炸拋撒成霧過程數值模擬 196
10.1.2 云霧團燃燒爆炸過程數值模擬 202
10.2 SDPH FVM耦合方法在化工領域中的應用 205
10,2.1 噴動流化床過程數值模擬 205
10.2.2 鼓泡流化床過程數值模擬 2ll
10.3 SDPH FVM耦合方法在災害預防領域中的應用 218
10.3.1 沙粒起跳反彈過程數值模擬 218
10.3.2 自由來流下風沙躍移過程數值模擬 221
10.3.3 沙丘遷移過程數值模擬 224
10.4 SDPH FVM耦合方法在物料輸運領域中的應用 226
10.4.1 垂直管內顆粒的氣力輸送過程 226
10,4.2 水平管內顆粒的氣力輸送過程 229
10.5 小結 231
參考文獻 232
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