气、固、热耦合计算技术及其进展
世界各国高超声速武器发展现状
世界各国高超声速武器发展现状高超声速武器是公认的未来必须发展的六大尖端武器之一，是指飞行速度超过5马赫的武器。
全球目前只有俄罗斯和中国列装。
美国在高超音速武器领域远远落后中俄。
美国国防部以及海、陆、空三军分别主导的7个高超音速武器项目全部失败，至今拿不出任何一款能进入实战部署的导弹。
被寄予厚望的AGM-183A高超音速空射导弹项目也迟迟没有进展。
俄罗斯是高超音速武器方面最先进的国家，截至目前已经列装了三款高超音速导弹，覆盖海、陆、空三维打击领域，包括全球唯一一款战略级“先锋”高超音速导弹，美国求而不得的高超音速空射导弹也在俄军中先一步服役，由米格-31战机搭载的“匕首”导弹能在2000公里外发起打击，末端速度可达7马赫。
印度、日本也在高超声速巡航导弹研制上取得进展，朝鲜频繁试射高超声速导弹。
美、英、澳、加拿大、瑞士等国重点推进高超声速飞机研制。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅官方军事网站相关报道。
随着科技的快速发展，军事领域也在不断推进新型武器的研发与防御技术的创新。
临近空间高超声速武器作为一种尖端武器，具有高速、高机动、高打击能力等特点，给现有防御体系带来了严重挑战。
为了有效应对临近空间高超声速武器的威胁，防御关键技术的研究至关重要。
本文将围绕临近空间高超声速武器防御及关键技术进行深入探讨。
近年来，世界各国都在加紧研发临近空间高超声速武器，以提升自身军事实力。
然而，这种武器的发展也带来了一系列的挑战。
高超声速武器的速度极快，使得传统防御系统难以对其进行有效拦截。
其飞行轨迹具有高度机动性，进一步增加了防御难度。
高超声速武器的打击精度也是一大难题，使得防御方需在很短的时间内对大量目标进行识别、跟踪和打击。
为了有效应对临近空间高超声速武器的威胁，以下关键技术至关重要：发射技术：该技术主要用于将武器从发射平台送入临近空间，并确保其稳定飞行。
成像技术：利用高分辨率、高灵敏度的成像技术对目标进行识别、跟踪和打击。
流固耦合计算方法及应用
流固耦合计算方法及应用【摘要】流固耦合计算方法是一种涉及流体和结构相互影响的计算方法，其在工程领域具有广泛的应用。
本文首先介绍了流固耦合计算方法的基本概念，包括流体和结构之间的相互作用机制。
然后回顾了流固耦合计算方法的发展历程，从最初的理论探讨到现在的数值模拟技术。
接着探讨了流固耦合计算方法在工程领域的具体应用，例如飞行器设计和水力机械优化。
对于数值模拟技术方面，本文强调了其在流固耦合计算方法中的重要性，并展望了未来发展方向。
本文总结了流固耦合计算方法的重要性、在工程实践中的应用以及对工程领域的影响，强调了其在现代工程设计中的关键作用。
【关键词】流固耦合计算方法，基本概念，发展历程，工程领域应用，数值模拟技术，未来发展方向，重要性，工程实践，影响。
1. 引言1.1 流固耦合计算方法及应用引言流固耦合计算方法及应用是一种新兴的计算方法，它在工程领域中有着广泛的应用。
流固耦合计算方法是将流体动力学和固体力学结合起来进行计算的一种方法，通过对流体和固体之间相互作用的数值模拟，可以更准确地预测工程系统中的复杂现象。
流固耦合计算方法的发展历程可以追溯到数十年前，随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的不断完善，流固耦合计算方法得到了越来越广泛的应用。
在工程领域，流固耦合计算方法被广泛应用于飞机、汽车、船舶等领域的设计和优化，为工程带来了新的突破和进步。
在我们将探讨流固耦合计算方法的重要性、在工程实践中的应用以及对工程领域的影响。
流固耦合计算方法的引入和应用将为工程领域带来新的思路和方法，推动工程技术的发展和进步。
2. 正文2.1 流固耦合计算方法的基本概念流固耦合计算方法是一种综合了流体动力学和固体力学的计算方法，用于分析和解决流体与固体同时存在且相互影响的问题。
在这种方法中，流体与固体之间的相互作用是通过力学和数学模型来描述和计算的。
流固耦合问题的本质是描述流体和固体之间的相互作用及其影响。
流体在固体表面施加压力和剪切力，而固体的形变又会影响流体的运动状态，这种相互作用是流固耦合问题的核心。
多物理场耦合技术的研究进展与发展趋势
多物理场耦合技术的研究进展与发展趋势作者：胡振东一、数值计算概述现代科学技术问题通常有三种研究方法：理论推导、科学实验和科学计算。
科学技术可以帮助科学家揭示用物质实验手段尚不能表现的科学奥秘和科学规律，同时，它也是工程科学家的研究成果——理论、方法和科学数据的归总，成为推动工程和社会进步的最新生产力。
数值计算方法则是科学计算核心。
数值计算技术诞生于上个世纪五十年代初，Bruce, G. H.和Peaceman, D. W.模拟了一维气相不稳定径向和线形流。
受当时计算机能力及解法限制，数值计算技术只是初步应用于求解一维问题。
随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题也可以采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解。
数值计算可理解为用计算机来做实验，比如某一特定LED（发光二极管）工作过程中内部电流密度、温度及热应力问题，通过计算并显示其计算结果。
我们可以看到LED 内部电流密度是否存在拥挤现象，内部温度分布的各个细节，以及由于温度的变化引起的应力集中是否存在，它的位置、大小及其随时间的变化等。
我们可以将数值计算分为以下几个步骤：首先要建立反映问题本质的数学模型。
具体说就是要建立反映问题中各物理量之间的偏微分方程及其相应的定解条件，这是数值计算的出发点。
比如牛顿型流体流动的数学模型就是著名的纳维—斯托克斯方程及其相应的定解条件。
数学模型建立之后，接下来就是求解这个模型。
需要寻求高效、高准确度的计算方法。
求解科学问题就是求解偏微分方程。
在确定了计算方法后，就可以开始编制程序并进行计算。
实践表明这一部分工作是整个工作的主体，会占据整个工程的绝大部分时间。
随着软件技术的发展，出现了应用于各领域的商业软件，运用这些软件使得这部分工作得到大大简化，缩短了模拟过程的周期。
这样，科研人员能够将自己的时间和精力更多的投入到自己研究的问题上，而不是编写计算代码。
通过上述描述，用数值计算方法解决科学计算问题的一般过程可以用如下流程来形象地描述：实际问题→数学模型→计算方法→计算程序→计算机计算→结果分析在计算工作完成后，需要处理大量的计算结果数据。
流固耦合的研究与发展综述
流固耦合的研究与发展综述流固耦合是指流体与固体之间相互作用的现象。
在许多工程领域，流固耦合现象都是非常重要的，例如在航空航天、汽车工程、能源系统和生物医学领域等。
本文将对流固耦合的研究与发展进行综述，包括其基本原理、数值模拟方法和应用领域等方面的内容。
一、流固耦合的基本原理流固耦合的基本原理是通过数学模型描述流体与固体之间的相互作用。
流体力学和固体力学是研究流体和固体运动的基本学科，它们提供了描述流固耦合现象的基本理论基础。
在流体力学中，流体的运动可以通过Navier-Stokes方程组来描述，而在固体力学中，固体的运动可以通过弹性力学或塑性力学方程来描述。
通过将这两个方程组耦合起来，可以得到描述流固耦合现象的数学模型。
二、流固耦合的数值模拟方法为了研究流固耦合现象，数值模拟方法是一种常用的手段。
常见的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法和边界元法等。
在流固耦合问题中，有限元法是最常用的数值模拟方法之一。
有限元法将流体和固体分别离散化为有限个单元，并通过求解代数方程组来得到流体和固体的运动状态。
此外，还可以使用流体-结构相互作用软件来模拟流固耦合问题，例如ANSYS、FLUENT等。
三、流固耦合的应用领域流固耦合现象在许多工程领域都具有重要的应用价值。
在航空航天工程中，流固耦合现象的研究可以帮助改善飞机的气动性能，提高飞行稳定性和安全性。
在汽车工程中，流固耦合现象的研究可以用于改善汽车的空气动力学性能，降低燃油消耗和减少排放。
在能源系统中，流固耦合现象的研究可以用于优化风力发电机的设计，提高能量转换效率。
在生物医学领域，流固耦合现象的研究可以用于模拟血液在心脏和血管中的流动，帮助诊断和治疗心血管疾病。
综上所述，流固耦合的研究与发展是一个非常重要的课题。
通过对流固耦合现象的研究，可以深入理解流体与固体之间的相互作用机制，为工程实践提供理论指导和技术支持。
未来，随着数值模拟方法的不断发展和计算能力的提高，流固耦合的研究将在更多领域得到应用和拓展。
流固耦合的研究与发展综述
流固耦合的研究与发展综述流固耦合是指液体或气体与固体之间相互作用并相互影响的物理过程。
在过去几十年里，流固耦合的研究与发展取得了令人瞩目的进展。
本综述将对流固耦合的研究背景、发展状况和前景进行综述。
首先，流固耦合的研究背景。
流固耦合的研究源于对大气和海洋中的风暴、涡旋和浪潮等自然规律的理解。
这些自然现象中，液体和气体介质与地球表面的固体结构相互作用，并产生复杂而有趣的现象。
例如，在风暴过程中，气体通过辐合进而产生强风和风暴潮，对海岸线造成严重的破坏。
了解这些流固耦合的现象对于防灾减灾和环境保护具有重要意义。
此外，流固耦合的研究还可以应用于工程领域，如航空航天、水利水电和海洋工程等。
其次，流固耦合的研究发展。
随着计算机技术和数值模拟方法的发展，研究人员能够模拟和预测流固耦合过程中的各种物理现象。
数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等。
这些方法能够解决流固耦合问题中的非线性、多物理场和多尺度等复杂问题。
此外，研究人员还开展了实验和理论研究，以更加全面和深入地理解流固耦合过程。
当前流固耦合的研究重点包括气液两相流动、流体力学与固体力学的相互作用、液固界面的动态行为等。
最后，流固耦合的研究前景。
随着数据采集和处理技术的不断进步，流固耦合的研究正朝着多尺度、多物理场和多学科的方向发展。
在气液两相流动中，研究人员将继续探索液滴、气泡和颗粒的动力学行为，以及它们与固体表面之间的相互作用。
在流体力学和固体力学的相互作用中，研究人员将关注固体结构如何影响流体流动和固体应力分布。
在液固界面的动态行为中，研究人员将继续研究液滴的形变和破裂机制，并探索其在材料科学和生物医学领域的应用。
总之，流固耦合的研究与发展具有广阔的应用前景。
通过深入理解流固耦合过程的物理机制，可以提供有关气候变化、自然灾害和工程设计等方面的关键信息。
这些研究也有助于推动相关学科的发展，如流体力学、固体力学和材料科学等。
随着技术的不断进步和理论的不断完善，相信流固耦合的研究将加速，为我们理解和利用自然界的复杂现象提供更多的支持和指导。
多物理场耦合分析技术研究进展及发展趋势(COMSOL 2009用户年会用户发言稿)
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例：充气天线展开过程模拟
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例：火星探测器着陆气囊仿真研究及优化设计
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三、多物理场耦合模拟技术面临的挑战
计算方法滞后于计算机硬件，高性能计算机所能 提供的计算能力并没有得到充分发挥； 计算结果的可靠性问题；计算模拟精度不够，很 多物理现象只能在定性层面上描述。 个人知识面有限，缺乏对其他学科深层次的了 解；即使本学科也面临数学模型的更新问题； 非确定性问题的存进展
早期的数值模拟主要关注于某个专业领域，比如 应力或疲劳，这与当时计算机的计算能力相对应 ，许多较复杂问题的数值模拟不可能完成； 物理现象都不是单独存在的，常见的耦合问题有 流-固耦合、电-热耦合、热-结构耦合、热-电结构耦合、声-结构耦合、流体-反应耦合、流 体-热耦合等； 计算机的发展为我们提供了更灵巧、更简洁而又 更快速的算法，强劲的硬件配置，使得对多物理 场的数值模拟成为可能；
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四、多物理场耦合模拟技术发展趋势
计算方法与硬件支撑的耦合；包括三维成像、切片扫描、可视化、 测试及实验。 微观与宏观的耦合；如量子力学、分子动力学、材料科学、生物 医学和生物系统，多尺度耦合。 虚拟设计；目前离实用还有差距，很多多物理现象不能模拟，如 燃烧、相变、断裂、散裂、尺度悬殊和随机行为。 模型选择、模型的误差估计、模型的自适应性； 控制不确定性；现有方法只是理想化随机模型，仅分析上限和下 限，未来需要根据给定信息确定最大应力等物理量。 并行算法与协同计算；
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例：汽车碰撞数值模拟
可在毫秒量级详细研究车辆结构和乘客的安全性，优化设计，减少事故。
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例：数值风洞模拟
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例：切除动脉瘤手术数值模拟
用流体力学和流固耦合理论模拟手术过程血液流动，选择最佳手术方案。
流固耦合概述及应用研究进展
流固耦合概述及应用研究进展摘要流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。
顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid．solid interaction)：变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。
总体上 ,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上 ,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起 ,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。
1 流固耦合概述1．1引言历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。
Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。
直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。
从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。
如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。
事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。
比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。
1.2流固耦合力学定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的--I'l力学分支。
顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。
流固耦合概述及应用研究进展
流固耦合概述及应用研究进展流固耦合是研究流体与固体相互作用的一种方法，它将流体动力学方程和固体力学方程相互耦合求解，能够模拟复杂的流固耦合问题。
近年来，随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的日益完善，流固耦合研究在多个领域取得了重要进展，并在工程实践中得到广泛应用。
目前，流固耦合的研究进展主要集中在以下几个方面：第一，研究方法的改进。
为了提高计算效率和精度，研究者提出了多种有效的流固耦合求解方法。
例如，基于体积法的耦合方法可以将流体和固体的网格耦合在一起，减少了计算量和内存需求。
此外，还有基于仿真网格重构的方法、基于界面移动技术的方法等。
这些方法在求解复杂流固耦合问题时具有较好的适用性和效率。
第二，模型的改进和扩展。
为了更好地模拟实际问题，研究者对流固耦合模型进行了改进和扩展。
例如，考虑流固界面的非线性和非均匀特性、考虑流固界面的热传导、考虑流体中的多相流等。
这些改进使得模拟结果更加准确，为实际工程问题的分析和设计提供了有力支持。
第三，应用领域的拓展。
流固耦合研究不仅适用于常见的工程领域，如航空航天、汽车工程等，还逐渐拓展到其他领域。
例如，生物力学领域中的血液流动与血管壁的相互作用、地下水与土壤的相互作用等。
这些应用领域的拓展对流固耦合方法的深入研究提出了新的挑战。
综上所述，流固耦合研究在方法、模型和应用领域等方面都取得了重要进展。
随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的不断完善，流固耦合研究将进一步深入，为实际工程问题的解决提供更加准确和可靠的方法和模型。
空气动力学与流固耦合分析
空气动力学与流固耦合分析是现代综合工程问题中的一个重要领域，它涉及到翼型、飞行器、风洞等领域的分析与设计。
本文将介绍这个领域的基本原理和应用，并探讨这个领域中的挑战。
空气动力学空气动力学是研究物体在气体中的运动规律和受力情况的学科。
它可以分为两个方面：气动力和气动学。
气动力是研究飞行器或其他物体在空气中运动时所受的各种力及其作用规律的学科，包括气动阻力、气动升力、气动推力等。
气动学则是研究物体在气体中的流动规律的学科，包括速度场、压力场、密度场、湍流、速度分布等。
这些方面的研究对于了解物体与气体的相互作用有着重要的意义。
翼型设计和飞行器设计需要进行复杂的空气动力学分析。
通过数值模拟、风洞实验等方式，可以研究和优化翼型和飞行器的气动特性，以提高其性能和安全性。
流固耦合分析流固耦合分析是指流体与固体之间相互作用的分析。
在物体为柔性时，其运动会受到空气流动的影响，而空气的流动也会受到物体所引起的扰动影响。
这种相互作用导致了流体与固体之间的耦合效应，需要进行流固耦合分析来模拟物体的运动及其引起的空气流动。
例如，在飞行中，飞机的翼型受到空气流动的影响，而翼型的运动也会影响空气流动的特性。
在进行翼型设计时，需要模拟清楚这些相互作用，通过模拟优化，来提高翼型的气动性能。
流固耦合分析需要数值模拟和实验相结合。
在数值模拟中，研究人员需要建立数学模型，包括物体的形状、材料属性、物体表面状态等，以及流动领域的形式等。
在实验中，人们需要制造比例小的模型，在风洞中进行测试，以验证数值模拟的准确性。
这些方法可以相互协作，以提高分析的准确性和精度。
流固耦合分析的挑战在流固耦合分析中，需要考虑多种因素，包括物体的形状、材料属性、表面状态等。
同时，流体的流动特性也需要考虑，例如湍流、速度分布等。
这些因素导致了相互作用的复杂性，因此在分析中需要考虑多个因素的耦合效应。
同时，流体与固体的相互作用也需要精确的数值模拟和实验验证，以保证模拟结果的准确性。
气固两相流模拟技术的研究及应用
气固两相流模拟技术的研究及应用气固两相流模拟技术，是指模拟气体和固体颗粒同时运动的过程。
其应用场景非常广泛，比如化工制造领域中的气力输送、固体颗粒混合、喷雾干燥等过程，以及环境科学领域中的大气污染、沙尘暴等问题。
因此，气固两相流模拟技术的研究和应用具有重要的实际意义。
目前，气固两相流模拟技术主要采用计算流体力学（CFD）方法或离散元法（DEM）实现。
CFD方法主要基于对流方程，通过数值方法对流体动力学方程进行求解，得出流体的流速、压力等物理参数，以及气体与颗粒之间的相互作用力等参数。
DEM方法则主要基于颗粒运动力学原理，把物质看作是由相互作用的颗粒组成的离散体系，通过求解颗粒的受力情况，来计算颗粒之间的相互作用力、碰撞等参数。
虽然两种方法各有优缺点，但在处理气固两相流时，通常采用CFD-DEM耦合方法。
该方法主要是将CFD和DEM方法的数值模型进行耦合，实现同时对气体和颗粒的运动进行模拟，从而更加准确地模拟气固两相流动态过程。
在气固两相流模拟技术中，最关键的是气体与颗粒之间的相互作用力。
气体与颗粒之间的相互作用力可以分为两类：杆状作用力和碰撞作用力。
杆状作用力主要是指气体因速度梯度而对颗粒施加的作用力；碰撞作用力则是指颗粒之间或颗粒与壁面之间发生的碰撞，由此产生的反作用力。
在气固两相流模拟技术的应用中，最常见的是喷雾干燥领域。
喷雾干燥是指在高速气流中喷入悬浮颗粒，通过颗粒与气体的相互作用，使颗粒与气体之间的热量、质量交换，从而实现悬浮物质的干燥过程。
针对喷雾干燥的气固两相流模拟技术，通常采用CFD-DEM二元模型，考虑气固两相流的微观动力学过程，并通过模拟颗粒与气体之间的传热、传质等物理过程，来研究喷雾干燥的机理和优化干燥过程。
研究表明，采用气固两相流模拟技术可以更好地解释和深入研究喷雾干燥过程中颗粒的运动、热量传递和干燥效果等重要问题。
除了喷雾干燥领域之外，气固两相流模拟技术在环境科学领域，特别是大气环境领域也有重要的应用。
气-液-固三相流混合建模与求解方法
气-液-固三相流混合建模与求解方法*范兴华 谭大鹏† 李霖 殷梓超 王彤(浙江工业大学机械工程学院, 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室, 杭州 310014)(2020 年12 月14日收到; 2021 年1 月6日收到修改稿)气-液-固三相流混合过程是一个复杂的多重流固耦合动力学问题, 颗粒参数与流道物理空间尺度之间的关系直接影响计算收敛性, 强剪切区域的流固双向耦合作用数值建模与网格处理具有较高难度. 针对上述问题,提出了一种气-液-固三相流混合的建模与求解方法. 基于流体体积-离散单元耦合模型, 建立考虑颗粒运动的三相动力学模型, 通过求解动量方程, 实现两相流体与颗粒的双向耦合. 自主开发用户自定义函数(UDF)通信接口, 得到流体与颗粒间的相互作用力, 提出了一种多孔相间耦合解法来描述颗粒运动轨迹. 以带强剪切的三相流混合过程为例, 使用该方法研究了不同充气条件对流道物理空间内自由表面、速度分布和颗粒悬浮特性的影响规律. 结果表明, 强剪切和壁面作用可以将流体的切向速度转化为轴向和径向的速度; 选择合适的充气速度可以消除自由液面的不稳定性; 增加流体的流动速度, 对于部分区域颗粒的悬浮提升作用有限. 研究结果可为复杂多相流相间作用机理研究提供有益借鉴, 也可为气-液-固三相颗粒混合生产调控提供技术支持.关键词：三相流, 固体颗粒, 流体体积-离散单元耦合, 强剪切PACS：45.70.Mg, 47.57.–s, 47.57.E–, 64.75.Ef DOI: 10.7498/aps.70.202021261 引 言气-液-固三相流混合是高端化工、锂电生产的关键工艺环节, 混合执行构件和流道物理空间需要提供较高的传质和高湍流能力, 且伴随强剪切过程. 上述要求使得气-液-固三相流混合过程非常复杂, 且难于观察整体流场及关键区域的颗粒分布[1−3]. 混合物理空间几何尺度相对于颗粒要高多个数量级, 其内部三维循环流动和湍流多相流的复杂性, 给混合执行机构优化设计、混合过程边界条件调控提出了重要技术挑战[4,5].当前计算流体力学(computational fluid dyna-mics, CFD)方法广泛应用于液-固混合过程的模拟计算, 一般基于欧拉-欧拉模型, 将颗粒固相视为连续相, 来描述相间相互渗透过程, 该模型占用计算资源比较少, 但模拟精度较低, 且无法获得颗粒运动状态[6−10]. 基于欧拉-拉格朗日模型的离散单元法(discrete element method, DEM)可以获得颗粒的运动和相互作用, 可以与不同的流体动力学计算方法相结合, 来模拟流体-颗粒流[11,12], 如格子-玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method, LBM).该方法在离散的晶格网格上使用代表流体相的虚拟颗粒, 并通过求解离散的Boltzmann方程模拟流体的流动[13]. 相关学者已经对三维LBM-DEM 耦合进行了尝试[14], 但是由于要求流体尺寸要比固体颗粒尺寸小得多, 对计算能力要求非常高, 多数针对三维问题的LBM-DEM耦合解法仍在开发中. 将CFD与离散单元法(CFD-DEM)耦合使用,可以预测颗粒尺度的变化, 颗粒-颗粒和颗粒-壁之间的相互作用都通过牛顿运动方程求解, 而颗粒-流体之间的相互作用则通过源相交换来实现. Bastien等[15]使用CFD-DEM模型, 以非常好的可靠性再现了固-液混合系统中发生的各种现象,* 国家自然科学基金(批准号: 51775501)和浙江省重点科学基金(批准号: LZ21E050003)资助的课题.† 通信作者. E-mail: tandapeng@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 研究证明, 在非惯性参考系下进行CFD-DEM模拟是可行的, 这为CFD-DEM的应用开辟了广阔的前景. Shao等[16]利用CFD-DEM耦合的模型研究了三维混合过程中的固体悬浮行为, 与实验测量和基于欧拉-欧拉方案的CFD仿真相比, CFD-DEM仿真可以提供更多流场信息. Blais等[17−19]开发了一种半解析CFD-DEM模型, 并利用该模型进行固-液混合操作的设计以及优化, 提高了颗粒悬浮比例, 改善了流型和颗粒分布, 但未考虑自由液体表面的分布及其稳定性.对于自由液体表面流, 常用流体体积(volume of fluid, VOF)模型进行模拟, Xu等[20]研究了表面涡流对混合物理空间中颗粒分散的影响, 研究发现表面涡流的产生降低了颗粒分布的均匀性, 混合挡流物理构件可使得表面涡流得到有效控制, 提高了颗粒分布的均匀性. Sun和Sakai[21]开发了一种基于欧拉-拉格朗日方法的模型, 可以模拟复杂的三相流行为, 包括自由表面的变形和颗粒引起的液体位移. Wu等[22]利用虚拟双重网格孔隙度模型改进了DEM-VOF模型, 新模型克服了计算过程中的不稳定性, 可用于固-液混合过程的流场模拟计算. Kang等[23]利用DEM-VOF模型结合雷诺压力模型(RSM), 对具有自由表面的无挡流构件的混合物理空间中的颗粒悬浮动力学进行了模拟,得到了混合流道的几何形状、叶轮转速、颗粒密度和直径等对自由表面涡流、流型和颗粒悬浮动力学的影响规律.当前关于多相流的研究主要以两相为主, 考虑三相耦合过程的多集中于自由液面, 却鲜有考虑内部充气对液-固两相的影响, 尤其是视固相为离散颗粒相的情况. 因此, 建立流体和颗粒的动力学模型, 通过求解动量方程, 实现流体与颗粒的双向耦合, 进行气-液-固三相流混合的研究, 揭示三相耦合在复杂混合过程中的作用规律非常必要.针对上述目标, 本文首先建立了气-液-固三相流动力学模型, 分别包括VOF模型、DEM模型以及两者的耦合模型; 然后进行了建模与网格划分以及边界条件和参数设置, 并进行了网格无关性验证, 进而选取最终使用的网格数量并开始不同案例的数值计算; 自主开发用户自定义函数(user defined function, UDF)通信接口, 得到流体与颗粒间的相互作用力, 提出了一种多孔相间耦合解法来描述颗粒运动轨迹; 最后通过计算结果讨论了充气对自由液面、流体速度以及颗粒悬浮的影响, 揭示了不同充气条件下混合物理空间内多相流的演变规律并得出了相应结论.2 三相流动力学模型对于VOF-DEM模型耦合的多相流, 通过对体积平均的Navier-Stokes方程进行求解, 进而对连续相的流体进行描述, 针对VOF模型还存在自由液面的问题, 气-液两相存在明显交界面, 可通过2.1节模型求解气-液两相问题. 同时使用离散单元法对固体相颗粒进行建模, 可通过2.2节模型求解. 这两个模型以一定的时间步间隔进行双向耦合交换数据, 一般CFD的时间步长明显大于DEM时间步长, 以便正确获得接触作用, 颗粒通常不会在单个DEM时间步长中移动很远的距离.因此, 不需要两者1∶1的时间步长比, 对于DEM, CFD的时间步长比一般从1∶10到1∶100不等, 两者耦合时选择合适的时间步长比, 不仅可以节省计算时间, 还可以避免计算的发散.2.1 VOF模型混合过程中存在复杂的气-液两相耦合现象,所以应该用多相流模型来描述. VOF模型是基于欧拉网格下的表面追踪模型, 通过求解单相或多相的体积分数来追踪和捕捉互不相融流体间的交界面. 通过计算各相的控制方程, 能够准确地模拟混合过程中多相组分的动态演化和瞬态特征的捕捉,其中流体的连续性方程和动量方程表示如下[21]:ρfεfµF pfF st式中, 是流体密度, 是空隙率, u是流体速度, p是压力, 是流体动力黏度, 是颗粒流体间的相互作用项的反作用力, 是自由液面附近的表面张力. 为了提高模拟精度, 使计算更加接近实际情况, 本文采用连续表面张力(continuum surface force, CSF)模型处理表面张力, 其表达式如下:σκ式中是流体的表面张力系数; 而是气-液相界面的曲率, 其表达式为n =∇·α2其中是次相体积分数的法向量.对于VOF 模型气-液两相的交界面可通过界面传输方程求解:αα=10<α<1α=0其中 是液体的体积分数, 若 , 代表该计算单元全是液相, 不含气相; 若 , 则说明该计算单元内同时包含气、液两相; 若 , 代表该相全部是气相. 因此, 基于VOF 模型可以求解气-液交界面的相互作用过程, 尤其是在强剪切作用下的气相剥离过程.k -ε此外, 多相流环境中尤其是强剪切区域处于湍流状态下, 为了能够得到精确的模拟结果, 流体控制方程选择标准的湍动能-耗散( )模型, 该模型在剧烈变化的流场中有较好的计算性能, 其控制方程如下[24]:εG k G b Y M C 1εC 2εC 3εi,j x,y,z σk σε式中, k 是湍动能; 是湍动能耗散率; 是由于平均速度梯度引起的湍动能产生项; 是由于浮力影响引起的湍动能产生项; 为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响; , , 为经验常数, 张量下标 表示 三个方向分量; ,为湍动能和湍动耗散率对应的普朗特数.2.2 DEM模型在考虑流体相时, 已经引入了颗粒与流体间的相互作用, 因此在该部分将分析颗粒模型. DEM 是一种可以用于计算非连续颗粒的运动规律, 并且可以分析离散颗粒接触力以及运动的分析模型. 此模型中, 将颗粒相视为离散相, 相比于其他方法更加贴近实际, 更能还原颗粒的真实运动情况, 颗粒的运动是基于牛顿第二定律的计算得出的, 通过计算可以得到颗粒的平移、旋转的速度和位置随时间的变化关系, 颗粒的平移运动取决于作用在其上的力的总和, 而旋转运动则由接触的转矩控制, 其控制方程可表示为[16,25]m i x i F c ,ij F pf ,i I i θp ,i T t ,ij T r ,ij 式中, 是颗粒i 的质量; 是颗粒的位移; 是颗粒i 和j 之间的接触力; 是颗粒i 与流体间的相互作用力; g 是重力加速度; 是颗粒i 的惯性力矩; 是颗粒i 的角位移; 和 是作用在颗粒上的切向和滚动摩擦力矩, (8)式和(9)式中包含的一些力和扭矩的详细计算见如下公式.接触力:法向接触力:.切向接触力:切向摩擦力矩:滚动摩擦力矩:颗粒-流体作用力:Y ∗R ∗δcn ,ij δct ,ij S cn ,ij S ct ,ij m ∗v cn v ct L ij n ij µr ωij ∆V n p 这里 表示接触颗粒间等效杨氏模量; 表示接触颗粒间等效半径; , 分别表示接触颗粒间法向、切向重叠大小; , 分别表示接触颗粒间法向、切向接触刚度; 表示接触颗粒间等效质量; , 分别表示接触颗粒间的法向、切向相对速度; 表示接触颗粒间中心距离; 表示接触颗粒间单位矢量; 表示颗粒的滚动摩擦系数; 表示颗粒接触平面上的角速度矢量; 是颗粒i 所在的计算网格的体积; 表示颗粒数量;f pf ,i f d ,i f ∇p,i f ∇τ,i f st ,i f vm ,i f B ,i f Saff ,i f Mag ,i F pf 表示颗粒i 受到的所有流体、固体对颗粒作用之和, 包括曳力 [26,27]、压力梯度力 、黏性力、表面张力 、虚拟质量力 、Basset 力 、Saffman 升力 [28]和Magnus 升力 [23].由于动量方程表达式已经直接包含了压力、黏性力和表面张力, 所以在 中相应地把这些力减去了.2.3 耦合模型为了获得流体与颗粒间准确的相互作用力, 提出了一种相间耦合解法—多孔模型来描述精确的颗粒运动轨迹, 其计算表达式如下:εps ,i 式中, 代表流体单元内第i 个多孔球单位体积内的颗粒体积. 该模型克服了传统方法中当颗粒粒径接近网格尺寸时引起的计算不稳定性问题, 改善了颗粒-流体的相互作用, 并且在计算过程中, 把颗粒的体积考虑在内, 因此, 用该方法求解出的流场也更加精确.将2.1节和2.2节两个模型以及多孔模型的控制方程写入接口程序, 进行编译, 最终通过动量方程中的动量源交换项实现双向耦合, 这样VOF-DEM 耦合通过编好的用户自定义函数(UDF)进行数据通信, 实现欧拉双流体相和拉格朗日颗粒相的双向耦合.整体模型的计算流程如上图1所示. 首先对流场和颗粒场进行初始化, 该过程通过CFD 计算接口文件实现; 然后, 开始计算, 通过2.1节(1)式和(2)式迭代求解得到流场的速度和力等信息, 求解(5)式得到关于自由液面的变化信息, 通过(6)式和(7)式计算流体的湍动能-耗散; DEM 通过利用2.2节的(8)式和(9)式迭代计算获得颗粒的速度和位置等信息, 并进行更新; 接着通过判断收敛与否, 进行选择, 如果不收敛通过求解2.3节(17)式得到流体单元的空隙率, 继续前述流场的计算, 如此循环实现双向耦合, 互相交换数据, 直到收敛停止计算, 完成模拟.3 数值计算3.1 物理模型与网格划分研究所选取的物理混合空间为带挡流板的半圆底容器, 混合执行构件为叶轮, 结构如图2所示,具体物理参数如下: 直径T = 200 mm, 高度H =3T /2, 液位高度h l = T , 叶轮直径D = T /2, 桨叶长度L = 45 mm, 宽度W = T /10, 厚度t = 2 mm,倾斜角为45°, 安装高度C = 93 mm, 搅拌轴直径d 1 = 14 mm, 底部进气口直径d 2 = 14 mm, 高度h a = 4 mm, 挡流板高度h b = 11 T /10, 宽度为T /10.图 2 混合空间结构示意图Fig. 2. Diagram of mixed space structure.首先建立混合物理空间三维模型, 对流体域进行网格划分, 最终生成的网格如图3所示. 为了方便计算, 流体域被划分为包含混合叶轮的转子区域和除此以外的静子区域两部分. 然后对流体域进行离散化处理, 由于转子区域的变化梯度较大, 尤其是混合叶轮这种小尺寸, 强剪切区域变化梯度最大, 划分时要特别注意, 所以要进行局部网格的加密处理, 划分后的静子区域网格尺寸为7 mm, 转子区域网格尺寸为5 mm, 叶面网格尺寸进一步细化为3 mm, 进气口也进行适当的加密, 网格尺寸为3 mm, 划分网格后, 网格的正交质量保持在0.5以上, 最终用于计算的网格数目为31万.图 1 VOF-DEM 耦合计算流程图Fig. 1. VOF-DEM coupling calculation flowchart.3.2 边界条件及参数选择k -ε混合过程模拟采用了瞬态的VOF 模型计算,选择显式的时间离散格式, 湍流模型使用标准的湍动能-耗散( )模型, 该模型具有较高的物理可靠性, 可为混合湍流过程提供精确解, 近壁区域选择标准壁面函数. 混合容器顶部设置为压力出口边界条件, 容器壁面为无滑移壁面边界条件, 底部为充气管道, 并采用速度入口边界条件. 数值求解方法使用coupled 方案, 该解法耦合了动量、能量及组分方程, 能比较快地得到收敛解, 动量离散格式、湍动能和湍动能耗散率离散格式均采用二阶迎风以获得精确的解[29−31], 体积分数离散格式使用分段线性界面重构(piecewise linear interface construction, PLIC)算法, 这种方法是精度最高的一种[24,29], 监视器收敛残差均为10–6.叶轮旋转模型常用到滑移网格(sliding-grid,SG)方法和多重参考系(multiple reference frames,MRF)方法. 其中, SG 方法常用于瞬态模拟, 而MRF 方法通常用于稳态模拟, 文献[32]采用两种方法对比得到的最终结果非常相似. MRF 方法也能够用于瞬态仿真, 此种情况是以伪稳态方式进行计算, 与更准确、但更耗时的SG 方法相比, 可节省大量计算机资源, 精度能满足多数场景的需要[33−35]. 因此本次模拟采用瞬态MRF 方法进行.对于MRF 方法, 需要将流体区域划分为内部动区域和外部静止区域两部分, 两部分通过交界面(interface)进行数据传递. 对于本研究所涉及的其他物理参数设置, 见表1.3.3 网格无关性分析网格的大小会直接影响数值模拟的结果, 一般情况下, 网格越小, 计算结果也越精确, 但是, 随之带来的是网格数量也越来越多, 需要更多的计算时间才能收敛, 给计算带来了很大的困难. 因此, 有必要进行网格独立性研究, 以确保计算误差在可接受的范围内, 得到准确的模拟结果. 本次以倾角45°的桨式叶轮进行网格无关性验证, 模拟转速为400 r/min 时的混合流场, 使用了四种网格尺寸,总网格数分别为219000, 311000, 425000, 661000,考察网格数量对模拟结果的影响, 对5 s 时槽内Z = 150 mm, Y = 0 mm, X 从–100到100 mm 的轴向速度场进行对比, 结果如图4所示.可以发现流场在不同位置的轴向速度具有相似的趋势, 但网格数量为219000时整体具有较大的误差, 而其他三种网格计算误差在5%以内, 满足网格独立性要求. 基于上述结果, 后面计算模型所采用的网格数量均为311000, 这样既减少了计算量, 又可以得到比较准确的结果.表 1 流体和颗粒特性设置Table 1. Characteristics settings of fluid and particle.参数值ρa kg ·m −3空气密度 /( )1µa Pa ·s 空气黏度 /( )1 × 10–5ρw kg ·m −3水密度 /( )1000µw Pa ·s 水黏度 /( )0.001ρp kg ·m −3颗粒密度 /( )1100d p 颗粒直径 /mm 1n p颗粒数目 10000Y P MPa颗粒杨氏模量 / 1νP 颗粒泊松比 0.25Y w MPa壁面杨氏模量 / 70000νw 壁面泊松比 0.3µr 滚动摩擦系数 0.01µs 静摩擦系数 0.5e r恢复系数 0.5ωr ·min −1搅拌桨速度 /( )400∆t CFD s CFD 时间步 / 2×10−4 ∆t DEM s DEM 时间步 / 2×10−5 ∆t coupling s耦合时间步 / 2×10−4(a)(c)(b)图 3 网格划分 (a) 静子区域网格; (b) 转子区域网格;(c) 叶轮网格Fig. 3. Grids division: (a) Grids of stator region; (b) grids of rotor region; (c) grids of impeller.4 结果与讨论如前所述, 气-液-固三相混合物理空间内部是一个复杂的湍流环境, 挡流构件的存在增加了搅拌速度下湍流场的无序性和非线性, 为了获得其中的流体-固体多相耦合和相间传质特性, 将深入研究对比不同充气条件下对混合空间内自由表面、流体流动和固体颗粒悬浮的影响. 在数值算例中, 颗粒直径均为1 mm, 颗粒数目均为10000, 且颗粒随机分布在混合容器的底部区域内, 在初始条件下仅受重力作用.4.1 对自由液面的影响基于数值模拟的结果, 首先研究充气状态对自由液面的影响, 图5为t = 5 s 时四种充气条件下混合空间内的实际自由液面图, 蓝色为自由液面的演化形态, 分别对应充气速度为0, 0.01, 0.05和1 m/s. 为了能够清晰地看出自由液面的变化, 隐藏了底部液体和颗粒, 只保留了自由液面.通过图5(a)—(d)可以看出, 在图5(a)未充气的混合空间中液面存在小幅的波动, 因为底部搅拌对流场的扰动能量向上传输至自由液面时, 能量的衰减不足以对液面造成较大的扰动, 而这种轻微的波动主要是颗粒和液体的相互作用造成的; 对比之下, 充气速度v = 0.01和v = 0.05 m/s 时, 如图5(b)和图5(c)时两者液面波动都很小, 显然传输的湍动能依然达不到自由液面的扰动阈值; 而当充气速度v = 1 m/s 时, 其自由液面如图5(d)所示, 可以看出液面波动非常大, 尤其是挡流板之间的区域, 液面上升明显, 有漩涡的产生, 这主要是因为除了颗粒对液面的影响之外, 底部充气速度较大, 增加了湍流场的流体上冲动能, 对三相流系统造成了较大的扰动, 且气体上浮溢出造成了液面的不稳定, 进而有较大的振荡.针对上述充气扰动液面的现象, 考虑与搅拌下流场的流动模式密切相关, 图6给出了不同充气条件下的切向速度矢量图. 从图6可以看出, 四种条件下挡流构件附近的切向速度都是该截面内最小的, 是因为挡流构件将流体的切向速度转换为了轴向速度. 而当高速旋转的流体与挡流构件接触时,快速接触过程必然引起局部湍流涡团的耗散, 增加了流动模式的随机性, 故挡流构件附近的液面振荡相对明显. 同时, 通过对比可以发现, v = 1 m/s 时的流体切向速度分布极不均匀并且最大, 较强的充气强度对底部分布的颗粒相起到扰动作用, 在搅拌速度和底吹作用下, 整个流场处于非线性湍流状态, 这也是引起自由液面漩涡和波动的主要原因; 而其他三种状态下的切向速度则相对较小, 其中 v = 0.05 m/s 时的切向速度最均匀, 相对比较A x i a l v e l o c i t y /(m S s -1)Position/m图 4 四种网格尺寸在t = 5 s 时的轴向速度分布Fig. 4. Axial velocity distribution of four grid sizes at t = 5 s.(a)(b)(c)(d)图 5 t = 5 s 时四种充气条件下混合空间内的自由液面 (a) v = 0 m/s; (b) v = 0.01 m/s; (c) v = 0.05 m/s;(d) v = 1 m/sFig. 5. Free surface under four aeration conditions at t =5 s: (a) v = 0 m/s; (b) v = 0.01 m/s; (c) v = 0.05 m/s;(d) v = 1 m/s.稳定, 其对应的自由液面也是最稳定的, 这也与文献[23]的结论相吻合.通过与文献[22]关于自由液面的结果的对比可以发现, 本研究的混合容器虽然加装了挡流构件, 在不充气或者低充气速度时, 可以有效地消除混合过程中可能形成的漩涡的影响, 稳定混合空间内环境, 但是当充气速度过高时, 内部流场受到强烈扰动, 自由液面也会有大幅波动.4.2 对流体速度的影响为了研究不同的充气状态对混合空间内流体速度的影响, 选取了t = 5 s时, 混合容器内径向位置r = 60 mm, 轴向高度从0到200 mm的速度分布情况, 如图7所示. 从图7可以看出, 最大速度出现在靠近叶轮的区域, 底部充气会使得出现最大速度的高度上移, 但并不是充气速度越大最大速度出现的位置越靠上, 四种流体速度分布出现最大速度的高度由低到高依次是充气速度为v = 0, v = 0.05, v = 0.01和v = 1 m/s时的混合空间.上述现象主要原因为当轴向的充气速度介入流场时, 轴向动能和流场的切向动能发生了对冲能量耗散, 虽然流场的湍流随机性增加, 但流动的无序性对整个流场的总速度有所影响.2.0(a)(b)(c)(d)Tangentialvelocity/1-11.51.00.5图 6 t = 5 s时, 四种充气条件下混合空间内z = 0.15 m高度截面的切向速度矢量图 (a) v = 0 m/s; (b) v = 0.01 m/s;(c) v = 0.05 m/s; (d) v = 1 m/sFig. 6. Tangential velocity vector in height z = 0.15 m un-der four aeration conditions at t = 5 s: (a) v = 0 m/s; (b) v =0.01 m/s; (c) v = 0.05 m/s; (d) v = 1 m/s.Velocity/(mSs-1)Axialvelocity/(mSs-1)Axial height/m Axial height/mRadialvelocity/(mSs-1)Axial height/mTangentialvelocity/(mSs-1)Axial height/m图 7 径向位置r = 60 mm处的轴向高度速度分布 (a) 总速度; (b) 轴向速度; (c) 径向速度; (d) 切向速度Fig. 7. Axial velocity distribution at radial position r = 60 mm: (a) Total velocity; (b) axial velocity; (c) radial velocity; (d) tangen-tial velocity.从总速度、轴向速度和径向速度可以看出四种充气状态下的速度分布曲线趋势走向是相同的, 而对于切向速度, 在充气速度为v = 1 m/s 的桨叶下方的流体切向速度方向和其他三种情况方向完全相反. 显然, 当充气速度足够大时, 气相对整个流场的流动模式造成较大的扰动, 剪切流动变得复杂, 增加了流场的湍流混沌特性. 此外还可以看出,由于挡流构件的存在以及壁面的影响, 可以将切向速度转化为轴向速度和径向速度, 所以从图7可以看出切向速度的幅度要小于轴向速度和径向速度.4.3 对颗粒悬浮的影响图8、图9、图10和图11是四种充气状态下混合空间内三相流的模拟计算结果, 截取了部分时刻的运动状态, 这些时刻基本包含了混合过程中的所有情形, 具有一定的代表性, 其中颗粒的颜色表示颗粒的速度大小. 可以很清楚地看到在t = 1 s 时, 底部沉积的颗粒在桨叶旋转带动流体的作用下被卷吸起来. 初始状态时, 搅拌扰动流场, 增加了流场的切向流动和叶轮底部的轴向上升流运动, 颗粒以较小的速度向上升起.在t = 1.3 s 时, 颗粒群到达叶轮, 受到高速旋转的作用, 被桨叶打散高速向周围扩散, 同时可看出, 颗粒群在v = 0.01, 0.05和1 m/s 要先于v = 0情况分散开. 这是因为底部吹气在初始状态就增大了流场的轴向剪切流动能量, 诱导流体的轴向速度=1.0 s =1.3 s =1.5 s =1.7 s =2.0 s=3.0 s1.00P a r t i c l e v e l o c i t y /(m S s -1)0.750.500.250图 8 v = 0 m/s 时不同时刻的三相混合系统模拟结果Fig. 8. Simulation results of three-phase stirred system at different time when v = 0 m/s.=1.0 s =1.3 s =1.5 s =1.7 s =2.0 s=3.0 s1.00P a r t i c l e v e l o c i t y /(m S s -1)0.750.500.25图 9 v = 0.01 m/s 时不同时刻的三相混合系统模拟结果Fig. 9. Simulation results of three-phase stirred system at different time when v = 0.01 m/s.=1.0 s =1.3 s =1.5 s =1.7 s =2.0 s=3.0 s1.00P a r t i c l e v e l o c i t y /(m S s -1)0.750.500.250图 10 v = 0.05 m/s 时不同时刻的三相混合系统模拟结果Fig. 10. Simulation results of three-phase stirred system at different time when v = 0.05 m/s.增加, v = 1 m/s 时最为明显, 如图7(b)所示. t =1.5 s 时, 颗粒受到流场离心力的作用下扩散到容器壁面和挡流构件, 在两者的作用下, 颗粒流动转变为上下两个方向的运动状态, 表明当旋转流场与挡流构件接触过程时, 流场以切向为主的流动模式遇阻, 切向速度流动转变为上下剪切流动模式. 剩余流场的湍动能推动部分颗粒作上升流运动, 另一部分颗粒在重力作用向下流动, 壁面附近的湍动能难以对这部分颗粒提供足够的驱动动能.随着时间的推移, 在t = 1.7 s 时, 颗粒到达自由液面附近, 受到液面振荡的作用, 分散至容器的各个位置; 随后的t = 2和3 s 时, 除v = 1 m/s 的混合空间外, 其他变化已经不明显, 趋于稳态, 可以看出, 速度最大的颗粒分布在叶轮附近, 具有较高速度的颗粒分布在容器的下部, 而越靠近液面处, 颗粒速度越低, 到达液面时速度几乎为0, 此区域的颗粒群对气-液交界面的冲击非常微小, 颗粒停止上升, 只有挡流构件附近的颗粒群受到局部流体漩涡的裹挟作用, 会继续上升, 形成局部的凸液面. 此外, 上下两股流动实现了循环, 对颗粒分散效果有良好的促进作用, 且除v = 1 m/s 外, 其他都相对稳定, 颗粒分布都是对称的.从整个时间段上三相流的模拟计算结果对比,还可以看出底部充气使得下部伞状颗粒群伞柄处要比未充气状态的细, 而v = 1 m/s 工况下, 随着混合的进行颗粒受到的作用不均匀, 底部伞状颗粒群会被破坏, 运动状态也更加复杂, 液面波动也会更加剧烈, 难以实现稳态.为了更准确、更直观地描述颗粒分布的均匀性, 引入相对标准偏差(relative standard devia-tion, RSD)表征颗粒在液相中的分散效果[36], 在这项工作中, 将液体覆盖的区域分为12个部分(3 ×1 × 4), 即12个等体积的采样空间. 通过多个样本空间内颗粒数目的相对标准偏差随时间的变化作为评价指标. 其评价公式如下:avgX i X avg X i 其中 是采样空间i 中的颗粒数量, 是 的平均值, n 为划分的采样空间的数量. 从上面的相对标准偏差RSD 评价公式可以看出, RSD 越小代表颗粒在计算区域内的颗粒悬浮效果越好. 图12绘制了底部不同充气工作条件下的RSD 随时间的变化曲线.从图12可以看出, 在混合容器刚开始工作的一段时间内由于颗粒沉积在底部, 随时间移动较缓慢, RSD 的数值较大, 颗粒分布极不均匀,所以RSD曲线有一段上升趋势,这段时间里底部充气的混合空间由于气体的作用使得一部分颗粒上升较快, 相对未充气的颗粒率先上浮,所以RSD 值要低一些. 随着混合过程的持续进行, 颗粒到达叶轮高度, 在叶轮的作用下移动速度加快, 逐渐分散=1.0 s =1.3 s =1.5 s=1.7 s=2.0 s=3.0 s1.00P a r t i c l e v e l o c i t y /(m S s -1)0.750.500.250图 11 v = 1 m/s 时不同时刻的三相混合系统模拟结果Fig. 11. Simulation results of three-phase stirred system at different time when v = 1 m/s.R S DTime/s图 12 不同充气工作条件下的RSD 随时间的变化Fig. 12. RSD changes with time under different aeration conditions.。
流固耦合问题及研究进展
第5卷 第1期1999年3月地质力学学报JOU RNAL O F GEOM ECHAN I CS V o l .5 N o.1M ar.1999 文章编号:100626616(1999)0120017226收稿日期:1998205212基金项目:油气藏地质与开发工程国家重点实验室开放研究基金项目(PLN 9702)作者简介:董平川(19672),男,1998年在东北大学获博士学位,讲师。
现为石油大学油气开发工程在站博士后,从事储集层流固耦合理论、有限元数值模拟及其应用研究。
流固耦合问题及研究进展董平川1,徐小荷2,何顺利11石油大学,北京 昌平 102200;2东北大学,辽宁 沈阳 1100061摘 要:传统的渗流理论一般假设流体流动的多孔介质骨架是完全刚性的,即在孔隙流体压力变化过程中,固体骨架不产生任何弹性或塑性变形,这时可将渗流作为非耦合问题来研究。
这种简化虽然可以得到问题的近似解,但存在许多缺陷,而且也不切合生产实际。
比如:在油田开采过程中,孔隙流体压力会逐渐降低,将导致储层内有效应力的变化,使储层产生变形。
近年来,流固耦合问题越来越受到人们的重视,这方面的研究涉及许多领域。
该文介绍了有关工程涉及到的流固耦合问题,重点针对油、气开采问题,介绍了储层流固耦合渗流的特点及研究方法和理论进展,包括单相、多相流体渗流的流固耦合数学模型及有限元数值模型。
关键词:流2固耦合;理论模型;研究进展;工程应用分类号:T E 312 文献标识码:A0 引 言天然岩石不只固相介质一种,尚有固相、液相和气相并存的多孔介质组合。
岩石孔隙中的流体流动问题,经典渗流力学已进行了广泛研究,但它没有考虑流体流动和岩石变形之间的相互作用,而在油气开采、地下水抽放等过程中,由于孔隙流体压力的变化,一方面要引起岩石骨架应力变化,由此导致岩石特性变化;另一方面,这些变化又反过来影响孔隙流体的流动和压力的分布。
因此,在许多情况下必须考虑流体,包括液体(油或水)、气体(天然气、煤矿瓦斯等)在多孔介质中的流动规律及其对岩体本身的变形或强度造成的影响,即应考虑岩体内应力场与渗流场之间的相互耦合作用。
水肥气热耦合在农业灌溉中的研究进展
改善了作物根区环境ꎬ 增加了根系活力ꎬ 提高了作
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施肥可促进作物冠层的发育ꎬ 增强了气孔的抵抗
收稿日期: ２０２０￣０４￣２４
基金项目: 陇原青年创新创业人才项目(２０１９￣９) ꎻ 国家自然科学基
金资助项目(５１７６９００１ ) ꎻ 甘肃省高等学校科学研究创新团队项目
得到充分发挥ꎮ
１ ２ 水肥耦合对水分利用效率及作物品质的影响
水、 肥料是影响作物生长和水分利用效率的两
ꎬ 因而使水肥产
个重要因素ꎬ 大量研究表明适当的灌溉可以促进肥
生协同作用ꎬ 实现高产优质和节能环保将有重要意
料的转化以及作物对肥料的吸收和利用ꎬ 并提高肥
义ꎮ 水肥管理因子主要包括灌溉量、 施肥量、 施肥
质及施肥是决定作物长势的关键因子ꎬ 而在这些环
境中水分和养分的运移特性及空间分布情况与作物
的范围ꎬ 达到“ 以 水 促 肥” 和 “ 以 肥 促 水” 的 目 的ꎬ
生长发育过程密切相关ꎬ 直接影响作物种子萌发、
出苗新陈代谢及后期成长ꎮ 水肥耦合灌溉技术在我
国已大量的推广应用ꎬ 且取得了显著效果 [４] ꎻ 加气
(２０１８Ｃ￣１６)
作者简介: 张彩霞(１９９５ 年—) ꎬ 女ꎬ 硕士研究生ꎮ
Ｅ￣ｍａｉｌ: １３４９０９０７４５＠ ｑｑ ｃｏｍ
通讯作者: 张 芮(１９８０ 年—) ꎬ 男ꎬ 教授ꎬ 博士ꎮ
Ｅ￣ｍａｉｌ: ｚｈｒ＿ １０２９＠ １６３ ｃｏｍ
科研与管理
２０２０ 年第 ９ 期
水利规划与设计
论依据ꎮ
水、 肥、 气、 热 是 影 响 农 作 物 生 长 的 重 要 因
素ꎬ 适宜的水分和良好的养分是作物高产优质的基
【精品】流固耦合问题研究进展及展望
流固耦合问题研究进展及展望流固耦合问题研究进展及展望流固耦合问题研究进展及展望摘要：天然岩体大多数为多相不连续介质，岩体内充满着诸如节理、裂隙、断层、接触带、剪切带等各种各样的不连续面，为地下水提供了储存和运动的场所。
地下水的渗流以渗透应力作用于岩体，影响岩体中应力场的分布；同时岩体应力场的改变使裂隙产生变形，从而影响了裂隙的渗透性能，因此，流固耦合问题研究主要考虑流体在固体中的变化规律，尤其是流体渗流与和岩体应力之间的耦合作用,通过对国内外相关文献的分析与整理，从流固耦合的研究现状、特点、研究方法及展望这四个方面进行了论述。
关键词：流固耦合；岩体；地下水；研究方法；渗流中图分类号：X523文献标识码： A 文章编号：天然岩石不只是单一固相介质，尚有固相、液相和气相并存的多孔介质组合，岩石经历了漫长的成岩和改造历史，其内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，它们的存在为地下水提供了储存和运动的场所。
地下水的渗流还以渗透应力作用于岩体，影响岩体中应力场的分布，同时岩体应力场的改变往往使裂隙产生变形，影响裂隙的渗透性能，所以渗流场随着裂隙渗透性的变化重新分布，因此，在许多情况下必须考虑流体,包括液体(油或水)、气体(天然气、煤矿瓦斯等)在多孔介质中的流动规律及其对岩体本身的变形或强度造成的影响，即应考虑岩体内应力场与渗流场之间的相互耦合作用。
近年来，流固耦合问题越来越受到人们的重视，这方面的研究涉及许多领域，在采矿领域，涉及地热开发，石油开采中的流固耦合渗流，采矿围岩突水问题等。
在建筑工程领域，包括地下水抽取引起的地面沉降问题，基坑渗流引起变形问题，坝基渗流及稳定性问题，隧道建设等。
在环境工程领域涉及地下核废料存储，城市垃圾废弃物处理等以及生物医学工程等领域，这一问题的研究对促进科技进步和解决实际工程技术问题有着重要意义。
1 国内外研究现状关于岩体和流体相互作用研究最早见诸K.Terzaghi对有关地面沉降研究，其内容主要限于考虑一维弹性孔隙介质中饱和流体流动时的固结，提出了著名的有效应力公式，迄今该公式仍是研究岩体和流体相互作用的基础公式之一。
力学与热学的耦合问题
在环境领域的应用
气候变化：研究全球 气候变化对力学与热 学耦合问题的影响
自然灾害：分析自然 灾害（如地震、海啸 等）对力学与热学耦 合问题的影响
环境污染：研究环境 污染（如大气污染、 水污染等）对力学与 热学耦合问题的影响
生态保护：探讨生态 保护（如生物多样性 保护、生态系统修复 等）对力学与热学耦 合问题的影响
耦合现象的应用
航空航天领域：飞 行器设计、航天器 热防护
建筑工程领域：建 筑物热环境控制、 节能设计
电子设备领域：芯 片散热、电子设备 热管理
能源领域：热能转 换、热力发电
力学与热学耦合问题的研究方 法
实验研究方法
实验操作：按照实验设计进 行实验操作，记录实验数据
实验设计：确定实验目的、 实验条件、实验材料等
热力学中的温度、压力、体积等参 数都与力学中的力、加速度、位移 等参数有关
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力学与热学的关系密切，热力学中 的许多概念和原理都来自力学
力学与热学的相互影响体现在许多 物理现象中，例如热传导、热对流、现象的定义
两种物理现象相互影响、相 互制约
热学：研究物体在温度变化下的热现象和热力学规律 的科学
单击此处添加项标题
力学与热学的关系：两者之间存在密切的联系，例如 热力学中的温度、压力等参数会影响物体的力学性能， 而物体的力学性能也会影响其热学性质。
力学与热学的发展历程
力学与热学的起源： 古希腊时期，阿基米 德和亚里士多德等学 者对力学和热学有了 初步的认识
面临的挑战和困难
理论研究：需要深入研究力学与热 学的基本原理和相互作用机制
实验验证：需要设计合理的实验方 案，以验证理论分析和数值模拟结 果
化学工程中的流体力学研究进展
化学工程中的流体力学研究进展在化学工程领域，流体力学的研究一直占据着至关重要的地位。
流体力学的原理和方法广泛应用于化工过程中的物料输送、混合、分离、传热和反应等多个环节，对优化化工生产流程、提高生产效率、降低能耗和保障生产安全具有重要意义。
近年来，随着科学技术的不断发展和跨学科研究的深入，化学工程中的流体力学研究取得了显著的进展。
一、多相流研究的新突破多相流是化学工程中常见的流动现象，如气液两相流、液液两相流和气固两相流等。
在过去，对多相流的研究主要集中在宏观流动特性的描述和经验关联式的建立。
然而，随着计算流体力学（CFD）技术和先进实验测量手段的发展，对多相流的微观机制和复杂界面行为的研究取得了新的突破。
例如，通过高速摄像和粒子图像测速（PIV）技术，可以实时观测到气泡和液滴的生成、聚并和破碎过程，揭示了多相流中相间传质和传热的微观机制。
同时，基于格子玻尔兹曼方法（LBM）和相场模型等数值方法，能够对多相流中的复杂界面变形和流动进行高精度模拟，为多相流反应器的设计和优化提供了有力的工具。
此外，多相流在微尺度和纳米尺度下的研究也逐渐受到关注。
微流控技术的发展使得对微尺度多相流的操控和应用成为可能，如微乳液的制备、微化学反应器的设计等。
在纳米尺度下，多相流的界面效应和量子效应变得显著，对其研究有助于开发新型纳米材料和纳米流体。
二、复杂流体的流动特性与应用复杂流体是指具有非牛顿流体特性的物质，如聚合物溶液、悬浮液、液晶等。
这些流体的流动行为与牛顿流体有很大的不同，其粘度、弹性和屈服应力等特性随剪切速率和时间的变化而变化。
在化学工程中，复杂流体的应用越来越广泛。
例如，聚合物溶液在塑料加工、纤维纺丝和涂料涂装等过程中起着关键作用。
对聚合物溶液流动特性的研究有助于优化加工工艺，提高产品质量。
近年来，对复杂流体在非稳态流动和受限空间中的流动行为研究取得了重要进展。
通过流变学实验和数值模拟，揭示了复杂流体在启动、停止和周期性剪切等非稳态条件下的结构演化和应力响应。
弹塑性多孔介质流固耦合新理论:混合耦合理论
弹塑性多孔介质流固耦合新理论：混合耦合理论徐丽阳;王锴;丁智;徐日庆;陈晓辉【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2024(41)1【摘要】在全球气候变化和双碳政策的大背景下,多孔介质中固体的变形和流体的输运问题变得尤为重要。
然而,在多孔介质中建立流固耦合模型仍面临的挑战之一是需要考虑跨越宏观尺度到纳米尺度的耦合作用。
本文利用基于非平衡热力学的混合耦合理论,提出了一个弹塑性多孔介质流固耦合新模型,在同一个理论框架内研究了弹性变形、塑性变形和液体渗流之间跨尺度的耦合,考虑了耗散过程中的熵产,并利用Helmholtz自由能连接宏观尺度上的力学变形和纳米尺度上的液体输运之间的相互作用。
在应力-应变关系中采用了弹塑性刚度系数以反映塑性的影响。
同时,经典的达西定律扩展为可考虑固体的塑性变形。
通过与文献中模型的比较,验证了该模型的有效性。
最后,数值分析表明在多孔介质的流固耦合中塑性变形具有比较显著的影响。
【总页数】10页(P129-138)【作者】徐丽阳;王锴;丁智;徐日庆;陈晓辉【作者单位】浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心;浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心;浙大城市学院土木工程系;浙江省城市盾构隧道安全建造与智能养护重点实验室;北京师范大学水科学研究院;利兹大学土木工程系【正文语种】中文【中图分类】O344.3;O302【相关文献】1.非均质饱和多孔介质弹塑性动力分析的广义耦合扩展多尺度有限元法2.饱和土体一维固结理论的修正——饱和多孔介质流固耦合渗流模型之应用3.多孔介质伴有相变多相流的热-流-固耦合数学模型4.饱和土体单向固结理论与应用研究--饱和多孔介质流固耦合渗流数学模型之应用5.多孔介质的一种流-固耦合动态边界理论因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
热量传递机制与热电耦合技术的研究现状与展望
热量传递机制与热电耦合技术的研究现状与展望热量传递机制和热电耦合技术是热力学和材料科学领域的重要研究方向。
热量传递机制研究热量在物质中的传递方式和规律，而热电耦合技术则是将热能转化为电能的一种技术手段。
本文将探讨这两个领域的研究现状与展望。
热量传递机制是热力学的基础，它涉及到热量在物质中的传导、辐射和对流等方式。
在传导方面，热量通过固体物质中的原子和分子之间的碰撞传递。
热导率是描述物质传热性能的重要参数，不同材料的热导率差异巨大，这也是研究热导率的重要原因之一。
在辐射方面，热量通过物体表面的电磁辐射传递，这是一种无需介质的传热方式。
而对流则是通过流体的运动传递热量，这种方式常见于气体和液体中。
热量传递机制的研究对于提高能源利用效率和改进材料性能具有重要意义。
例如，在能源领域，研究热量传递机制可以帮助我们设计更高效的热能转换设备，提高能源利用效率。
在材料科学领域，了解热量传递机制可以帮助我们优化材料的热导率，提高材料的导热性能。
与热量传递机制相关的研究还包括热电耦合技术。
热电耦合技术是一种将热能转化为电能的技术，它基于热电效应，即通过温差引起的电压差。
热电材料是实现热电转换的关键，它们具有良好的热导率和电导率，并且能够产生热电效应。
热电耦合技术在能源领域具有广泛的应用前景，例如用于废热回收和太阳能发电等。
目前，热量传递机制和热电耦合技术的研究已经取得了一些重要进展。
在热量传递机制方面，研究人员通过实验和数值模拟等手段，深入探索了不同材料的热导率和热传导机制。
在热电耦合技术方面，研究人员发现了一些新型的热电材料，并且提出了一些改进热电效应的方法，如优化材料结构和界面工程等。
然而，热量传递机制和热电耦合技术仍然面临一些挑战。
首先，热量传递机制的研究需要综合考虑材料的结构、组分和缺陷等因素，这对于研究人员提出了更高的要求。
其次，热电材料的性能仍然有待提高，特别是在高温和复杂环境下的应用。
此外，热电耦合技术的实际应用还面临着成本和可靠性等问题。
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2 气、固、热耦合的物理过程及分析 方法
2.1 物理过程分析 流、热、固耦合是指在流体流动、热量传递和固体弹性变形的 系统中三者之间的相互影响和相互作用。热应力与流体压力导致固体 变形，固体变形导致流场变化，进而使温度场又发生变化，流场、温 度场和结构变形交作用直至流场、温度场和结构变形均达到一个稳定 的平衡状态（假设无扰动）。 流、热、固三场间的耦合作用是同时发生的、双向相互的，如 果单向顺序分析流固、流热、热固各个效应的耦合过程可能与实际情 况存在差异。 速度场的发展、热量的传递以及固体的弹性变形三者的发生速 度是不一致的。假设t为当前时刻，在极其细小的时间段里，速度场 以其自身的发展速度发生着变化，而在这段时间里实际温度场以不同 于速度场发展的速度进行着变化，同时，固体结构也在以自身的变形 速度变化着，并且影响着流场。经过时间后，流场的约束条件变了， 流场将朝着与上一个时间段不同的发展方向去变化，而温度场也已开 始在新的时间段、新的条件下发生改变。但是，在数值计算的过程中， 如果先分析经过时间后的t+△t时刻的速度场发展，然后，将t +△t 时刻速度场视为稳定状态，并在此基础上进行温度场数值计算，那么， 所计算得到的温度场不一定与实际经过时间后的t +△t时刻的温度场 一致。
(2)能量守恒方程
( i) div( iU ) div( gradT ) P divU Si t
式中 {2[(
u 2 v 2 w 2 u v 2 ) ( ) ( ) ] ( ) x y z y x u w v w ( ) 2 ( ) 2 } ( divU ) 2 z x z y
2 气、固、热耦合的物理过程及分析 方法
(3)质量守恒方程
(4)气体状态方程
div( U ) 0 t
2 气、固、热耦合的物理过程及分析 方法
另外，实际经过时间后的t+△t时刻的结构变形量也不一定就是在t + △t时刻温度场基础上求解得到的弹性变形量。 但是，数值计算本身就是一种近似求解。在数值求解的过程中， 每经过一个时间步长就依次算一次速度场、温度场、和结构变形（在 一个时间步长里，速度场和温度场是非稳态的，与时间相关，而结构 变形与时间无关的），尽量减小时间步长，以提高数值求解的准确性。 2.2 气动及传热分析 2.2.1 流场基本方程 气体可采用三维粘性可压缩模型。描述三维流动的基本方程为： (1)动量守恒方程 采用笛卡尔坐标系描述空气流动。在三个坐标方向上，气流的 相对运动方程为
2 气、固、热耦合的物理过程及分析 方法
( u ) P div( uU ) div( gradu) SMx t x ( v) P div( vU ) div( gradv) S My t y
( w) P div( wU ) div( gradw) SMz t z
气、热、固耦合计算技术及其进 展
目录
1 耦合场分析方法概述 2 气、固、热耦合的物理过程及分析方法 2.1 物理过程分析 2.2 气动及传热分析 2.3 静强度分析 3 气、固、热耦合边界条件 4 气、固、热耦合求解过程分析 4.1 流体与固体传热的耦合分析 4.2 对流换热与固体热应变的耦合分析 4.3 流体动力与固体变形的耦合分析 4.4 流体动力、热应力和弹性变形的耦合分析
目录
5 气、固、热耦合信息的传递 5.1 温度参数空间差值传递方法 5.2 气压载荷的传递 5.3 几何变形的传递 5.4 三种几何变形传递方法 6 基于CBS有限元的流动-传热-变形耦合计算方法 6.1 CBS算法 6.2 基于CBS算法的流动-传热-变形耦合分析 7 小结
1 耦场分析方法概述
所谓场是指物理量在空间区域上的分布。根据场的数学表达形式 可分为数量场和矢量场。而耦合场分析就是指在分析的过程中，考虑 了两个或多个工程物理场之间的交叉作用和相互作用。 根据耦合场的分析过程所耦合的物理场，耦合分析方法可分为两 大类：顺序耦合和直接耦合。 1.1 顺序耦合 顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种 分析属于单一物理场分析。通过将前一分析的结果作为载荷施加到另 一分析中的方式进行耦合。顺序耦合分析又分为顺序耦合物理场分析 及顺序弱耦合分析。 1.1.1 顺序耦合物理场分析 顺序耦合物理场分析通过将第一个分析的结果做为第二个分析 的载荷来耦合两个物理场。载荷传递发生在分析以外，必须通过物理 环境指定载荷传递。这类分析的典型实例是顺序热-应力分析，热分 析的节点做为体积载荷施加到随后的应力分析中。其实对于分开做的 通风散热分析也属于这种形式，先进行通风计算，得到各处的流体速 度作为边界条件输入到散热分析，计算出固体表面的散热系数从而进 行散热计算。
1 耦合场分析方法概述
1.1.2 顺序弱耦合分析 顺序弱耦合分析一般用于进行流体-结构耦合分析。流体和结构分析的求 解顺序发生，穿过流体和结构区域相同或不同的网格界面载荷在内部进行传 递。这种分析需要从流体到结构传递流体力和热通量，并将结构的位移和温 度传递给流体的结构，进行结构作用分析。 1.2 直接耦合方法 直接耦合方法，一般只进行一次分析，它使用包含多场自由度的耦合单 元。通过计算所包含物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。 1.3 直接耦合法与顺序耦合法的应用场合 对于顺序耦合法，由于每种分析是相对独立的，对于多场的相互作用非 线性程度不是很高的耦合场，顺序耦合方法更有效也更灵活。在分析过程中 不同物理场间的迭代不断进行直至达到了所期望的收敛准则。顺序耦合可以 是双向的，不同物理场之间进行相互耦合分析，直到收敛到一定的精度。 当耦合场之间的相互作用是高度非线性时，直接耦合较具优势。它使用 耦合变量一次求解得到所有物理场的结果。