【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于流場，具體涉及一種復雜顆粒兩相流的通用模擬方法。
技術介紹
1、顆粒與流體的相互作用是自然界和工業生產中常見的物理現象。為了推動科學技術的發展和創新，人們一直致力于對顆粒兩相流問題進行研究和探索。這包括理論研究、數值模擬和實驗研究等多個方面。在過去幾十年里，顆粒兩相流問題已經取得了很大的研究進展。研究者們提出了各種數學模型和計算方法，如euler-lagrange方法和多尺度模擬，以描述顆粒與流體之間的相互作用和顆粒的運動規律。隨著實驗研究的深入，復雜顆粒因其獨特的形態和功能而備受關注，而在數值模擬研究中，復雜顆粒兩相流的主要困難在于建立復雜顆粒的數學模型以及研究復雜顆粒與流體之間復雜的相互作用關系。
2、顆粒數學模型是描述顆粒的形態結構以及運動狀態的關鍵，以往的研究視顆粒為質點或球形顆粒，考慮顆粒的平移對流場的影響，球形顆粒得到了廣泛的應用和研究，但在實際應用中，大部分顆粒為非球形，比如橢球形顆粒、圓柱狀顆粒以及復雜顆粒等。然而，由于這些模型的高表面積比、復雜的表面形態和復雜的截面結構，這些模型往往局限于特定的情況，無法準確捕捉復雜顆粒的運動。
3、目前，非球形顆粒兩相流的數值模擬主要基于euler-lagrange的求解框架。在該框架下，流體相的navier-stokes方程在euler網格上進行求解，而顆粒相則通過lagrange追蹤方法去描述每一個顆粒的行為。顆粒在lagrange觀點下的求解能準確地描述顆粒的平動、取向與轉動行為，進而可以幫助研究者更加直觀地認識非球形顆粒復雜的運動
4、任意拉格朗日歐拉(ale)方法：
5、工作原理：ale方法通過網格隨固體顆粒移動來處理邊界問題。在每個時間步長，網格會重新生成并適應新的顆粒位置，保證固體邊界和流體網格的一致性。
6、優點：能夠準確捕捉移動邊界，適用于模擬固體顆粒在流體中的運動。
7、缺點：網格重生和移動帶來了較高的計算復雜度和不穩定性，尤其在模擬復雜形狀顆粒時，網格質量難以保證。此外，頻繁的網格更新增加了計算成本，降低了模擬效率。
8、現有技術的缺陷：
9、1.幾何描述不精確：ale方法在處理復雜形狀顆粒時，幾何描述的精度較低。ale方法的網格重生過程易導致網格質量下降，尤其是對于非規則形狀的顆粒。
10、2.計算復雜度高：ale方法頻繁的網格重生和移動，導致了計算復雜度和計算成本的顯著增加。這在實際應用中限制了大規模復雜系統的模擬。
11、3.顆粒運動描述不足：現有方法難以準確描述復雜形狀顆粒在流體中的運動，尤其是旋轉運動。ale方法在處理六自由度運動時存在局限，影響了模擬結果的準確性。
12、4.穩定性差：在處理大變形和高速運動顆粒時，現有方法的穩定性較差，易產生數值誤差和計算不穩定性。ale方法的網格更新過程易引發數值振蕩。
技術實現思路
1、針對上述存在的問題，本專利技術提出了一種新的數值模擬方法，旨在解決以下技術問題：
2、1.提高幾何描述的精確度：引入幾何表征模型(geometric?representationmodel，grm)，通過精確表征各種形狀的復雜顆粒邊界，解決幾何描述不精確的問題。
3、2.降低計算復雜度和成本：通過引入浸沒邊界法(immersed?boundary?method，ibm)，避免頻繁的網格重構和移動，顯著降低計算復雜度，提高模擬效率。這使得本專利技術能夠應用于大規模復雜系統的數值模擬。
4、3.改善顆粒運動的描述：采用六自由度模型(six-degree-of-freedom，6dof)，能夠準確描述復雜顆粒的平移和旋轉運動，提供更全面的動力學分析，解決現有方法中顆粒運動描述不足的問題。
5、4.提高計算穩定性：通過特征基分裂有限元方法(characteristic?basedsplitting，cbs)的應用，實現流體和顆粒運動的穩定耦合求解，避免數值振蕩和不穩定性問題，提高計算的穩定性和可靠性。
6、5.實現多尺度模擬：結合grm、ibm、6dof和cbs方法，能夠在不同尺度上進行精確模擬，滿足多尺度數值模擬的需求，為復雜顆粒流體兩相流系統的全面分析提供強有力的技術支持。
7、技術方案：
8、本專利技術提供一種復雜顆粒兩相流的通用模擬方法，包括：
9、s1：將顆粒兩相流的流場區域劃分網格，并構建幾何表征模型，表征顆粒的幾何信息和運動信息；
10、s2：在s1劃分的網格的基礎上，采用基于特征線分裂有限元方法求解流場得到偽n+1時刻的流場速度和n+1時刻的流場壓力；
11、s3：根據顆粒的幾何信息確定顆粒與流場相互作用區域，結合s2步驟中計算得到的流場速度和流場壓力，通過ibm方法計算顆粒邊界受力、顆粒表面受力以及作用于顆粒上的轉矩；并構建流場速度更新公式，根據流場速度更新公式更新下一時刻的流場速度；
12、s4：利用s3計算得到的顆粒表面受力和作用于顆粒上的轉矩，通過六自由度模型計算顆粒姿態；給定時間t，時間步長dt，計算t＝k*dt，k為循環次數，當t<t時，將更新的流場速度賦值給n時刻的流場速度，返回s2繼續循環；當t≥t時，退出循環，計算結束。
13、優選的，s1包括：
14、s1.1：對流場區域進行網格劃分，記為dmesh；
15、s1.2：用xr表示點xbk在顆粒邊界γb上的集合：
16、xr＝akxr+(i-ak)xbk,k＝1,2,…,n；
17、其中，ak為旋轉矩陣，用于擬合所有顆粒的邊界顆粒的邊界由n段邊界γi,(i＝1,2,…,n)組成；
18、s1.3：在s1.2的基礎上，求解二維情形下任意形狀顆粒的重心：
19、
20、其中，xr為顆粒邊界的坐標；v在二維情形下是顆粒的面積，在三維情形下是顆粒的體積；
21、s1.4：確定n時刻顆粒重心xc所處的網格dmesh單元，以此單元為中心，以2dh為邊長的正方形或正方體內包含的其余單元，并保存這些單元的網格節點坐標xj。
22、優選的，在s1劃分的網格dmesh上定義節點速度和壓力則s2的流場速度和流場壓力pn+1依次通過以下方程求解得到：
23、
24、其中：
25、
26、ku＝∫ω(lnu)t(lnu)dω
27、
28、nu和np分別為定義在速度空間和壓力空間中的有限元基函數；dt為時間步長；mu為速度的質量矩陣；為節點上的預測流場速度本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種復雜顆粒兩相流的通用模擬方法，其特征在于：包括：
2.根據權利要求1所述的一種顆粒兩相流的通用模擬方法，其特征在于：S1包括：
3.根據權利要求2所述的一種復雜顆粒兩相流的通用模擬方法，其特征在于：在S1劃分的網格Dmesh上定義節點速度和壓力則S2的流場速度和流場壓力pn+1依次通過以下方程求解得到：
4.根據權利要求3所述的一種復雜顆粒兩相流的通用模擬方法，其特征在于：S3顆粒的表面受力為：
5.根據權利要求4所述的一種復雜顆粒兩相流的通用模擬方法，其特征在于：S4包括：
6.根據權利要求5所述的一種復雜顆粒兩相流的通用模擬方法，其特征在于：S4中的流場速度更新公式為：
【技術特征摘要】
1.一種復雜顆粒兩相流的通用模擬方法，其特征在于：包括：
2.根據權利要求1所述的一種顆粒兩相流的通用模擬方法，其特征在于：s1包括：
3.根據權利要求2所述的一種復雜顆粒兩相流的通用模擬方法，其特征在于：在s1劃分的網格dmesh上定義節點速度和壓力則s2的流場速度和流場壓力pn+1依次通過以下方...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王曉東，張文輝，陳彥莉，李舒珂，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：
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