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
本书是论述一种全新的求解气体-颗粒两相流动问题的数值模拟方法的专著。全书共分十章：绪论、气体-颗粒两相流常用模型及方法、SPH方法基本理论、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、含颗粒蒸发、燃烧模型的SDPH-FVM耦合方法、求解气体-液滴两相流动过程SPH方法、含颗粒碰撞聚合、破碎过程的SDPH-FVM耦合方法、SDPH-FVM耦合方法在航天领域以及其他相关领域中的应用。
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目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 气体颗粒两相流动系统 1
1,1.1 多相流动和两相流动 1
1.1.2 气体颗粒两相流动所涉及的领域 1
1.1.3 连续介质与离散颗粒 2
1.1.4 描述流动的两种基本方法 2
1.2 气体颗粒两相流研究发展与现状 3
1.2.1 气体颗粒两相流研究的历史发展 3
1.2.2 气体颗粒两相流研究方法 4
1.3 光滑粒子流体动力学研究现状 10
1.3.1 SPH方法的优势 11
1,3.2 SPH方法研究进展 12
1.3.3 SPH方法总结评述 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 本书内容安排 17
参考文献 18
第2章 多相流数值模拟常用模型及方法 28
2.1 双流体模型 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 热传导模型 32
2.1.5 算例验证 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 相对速度和滑移速度 44
2.3 颗粒轨道模型 45
2.3.1 模型概述 45
2.3.2 颗粒轨道方程 45
2.3.3 连续相与颗粒相的相间耦合 46
2.3.4 算例验证 47
2.4 拟颗粒模型 51
2.4.1 模型概述 51
2.4.2 守恒方程 51
2.4.3 拟颗粒与颗粒间相互作用 52
2.5 流体体积函数模型 52
2.5.1 模型概述 52
2.5.2 守恒方程 53
2.5.3 界面追踪 54
2.5.4 算例验证 54
2.6 小结 57
参考文献 58
第3章 SPH方法基本理论 59
3.1 传统SPH理论 59
3.1.1 函数积分插值 59
3.1.2 粒子近似方法 60
3.2 邻近粒子搜索 61
3.3 SPH方程积分求解 62
3.4 多相黏性流体的SPH离散方法 64
3.4.1 黏性项公式 64
3.4.2 多相流SPH方程及状态方程 65
3.4.3 人工应力方法 66
3.4.4 多相黏性流SPH方程 66
3.5 SPH固壁边界施加模型 67
3.5.1 基于罚函数方法的固壁边界施加模型 67
3.5.2 基于虚粒子方法的固壁边界施加模型 71
3.6 小结 73
参考文献 74
第4章 基于颗粒动力学模型的SDPH方法 76
4.1 颗粒动力学模型 76
4.1.1 颗粒数目密度分布 76
4.1.2 Boltzmann积分微分方程组和一般输运理论 77
4.1.3 碰撞积分简化 78
4.1.4 颗粒相的质量、动量和能量守恒方程 80
4.2 用于离散相求解的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方法与传统SPH方法的区别 84
4.3 超高速碰撞中的SDPH方法 85
4.3.1 适用于超高速碰撞问题的SPH方程组 86
4.3.2 弹丸和靶板的本构模型 86
4.4 算例验证 87
4.4.1 Couette流算例验证 87
4.4.2 铝球超高速正碰撞铝薄板算例验证 90
4.4.3 Whipple防护结构超高速碰撞算例验证 95
4.5 小结 97
参考文献 98
第5章 SDPH FVM耦合框架及其实现 100
5.1 求解双流体模型的SDPH与FVM离散方法 100
5,1.1 颗粒相求解的SDPH方法 100
5.1.2 气体相求解的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 边界条件 106
5.3 维分层颗粒沉降算例验证 107
5.4 小结 l09
参考文献 109
第6章 含颗粒蒸发、燃烧模型的SDPH FVM耦合方法 l10
6.1 颗粒蒸发模型 110
6.2 气相及颗粒相燃烧模型 112
6.3 气相爆轰模型 114
6.4 物质组分输运方程 114
6.5 含颗粒蒸发、燃烧模型的SDPH FVM耦合方法流程 115
6.6 圆盘型颗粒团传热过程数值模拟 116
6.7 射流颗粒蒸发过程数值模拟 119
6.8 炸药爆轰驱动颗粒运动过程数值模拟 123
6.9 小结 l25
参考文献 126
第7章 求解气体一液滴两相流动过程SPH方法 127
7.1 基于连续表面力模型的表面张力算法 128
7.1.1 CSF模型一 l28
7.1.2 CSPM修正的表面张力算法 128
7.2 含壁面附着力模型的表面张力算法 l3l
7.3 气液大密度差两相流SPH方法 132
7.3.1 气液两相SPH离散方程 133
7,3.2 人工黏性 134
7.3.3 人工应力 135
7.3.4 气液两相SPH方程组 136
7.4 气相场中二元液滴碰撞过程数值模拟 136
7.4.1 空气中二元液滴正碰数值模拟 137
7.4.2 空气中二元液滴斜碰数值模拟 140
7.4.3 多个碰撞条件下的二元液滴碰撞数值模拟 144
7.5 液滴在气相场中二次破碎过程数值模拟 145
7.6 液滴在气固交界面变形移动过程数值模拟 147
7.6.1 剪切气流驱动液滴在固体表面变形运动二维数值模拟 l47
7.6.2 剪切气流驱动液滴在固体表面变形运动三维数值模拟 l52
7.7 小结 l55
参考文献 155
第8章 含颗粒碰撞聚合、破碎过程的SDPH FVM耦合方法 158
8.1 液滴碰撞理论 158
8.2 液滴二次破碎理论 160
8.3 描述颗粒碰撞聚合、破碎的群体平衡模型 16l
8.4 含颗粒碰撞聚合、破碎过程的SDPH FVM耦合方法流程 165
8.5 气化流化床颗粒尺寸分布数值模拟 l68
8.6 小结 l73
参考文献 174
第9章 SDPH FVM耦合方法在航天领域中的应用 175
9.1 固体火箭发动机喷管内气粒两相流数值模拟 175
9.2 过载条件下发动机燃烧室内气粒两相流数值模拟 179
9.3 大型固体火箭发动机内颗粒燃烧流动数值模拟 l82
9.4 剪切气流驱动液滴流动、蒸发过程数值模拟 l89
9.5 小结 l93
参考文献 194
第10章 SDPH FVM耦合方法在其他领域中的应用 196
10.1 SDPH FVM耦合方法在武器研发领域中的应用 196
10.1.1 燃料空气炸药爆炸抛撒成雾过程数值模拟 196
10.1.2 云雾团燃烧爆炸过程数值模拟 202
10.2 SDPH FVM耦合方法在化工领域中的应用 205
10,2.1 喷动流化床过程数值模拟 205
10.2.2 鼓泡流化床过程数值模拟 2ll
10.3 SDPH FVM耦合方法在灾害预防领域中的应用 218
10.3.1 沙粒起跳反弹过程数值模拟 218
10.3.2 自由来流下风沙跃移过程数值模拟 221
10.3.3 沙丘迁移过程数值模拟 224
10.4 SDPH FVM耦合方法在物料输运领域中的应用 226
10.4.1 垂直管内颗粒的气力输送过程 226
10,4.2 水平管内颗粒的气力输送过程 229
10.5 小结 231
参考文献 232
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