方管中颗粒随黏弹性流体迁移的力学特性

为研究黏弹性流体中颗粒迁移的力学成因,对方管Poiseuille流动中悬浮颗粒的迁移进行数值研究。选用Giesekus模型的黏弹性流体和球形刚性颗粒作为研究对象,忽略流体的惯性效应以研究流体弹性效应和剪切变稀效应对颗粒受力的影响。控制方程采用有限元法和伽辽金 最小二乘法(GLS)方法进行求解,并取得了较好的收敛性。颗粒运动模型采用基于“相对运动模型的准定常算法”,对通道中颗粒的横向升力的分布特征进行研究。研究结果表明：颗粒在不同横向位置上所受的横向升力决定了颗粒在实际流动中的迁移方向,且受到流体弹性和剪切变稀的影响。     

颗粒惯性聚集现象的数值优化方法

为研究微通道内悬浮颗粒的惯性聚集现象，基于“运动相对性”原理，运用数值方法对颗粒在聚集过程中所受的惯性升力进 行计算。利用相对运动模型进行计算时，其关键点在于对所需计算的横向位置处的颗粒沿主流方向的稳定运动速度的确定；通过“试凑法”对其进行近似确定，采 用二分法、割线法和抛物线法等方法在相同条件下进行试凑计算。比较上述方法在试凑颗粒稳定状态下平动速度和转动角速度的难易程度，结果表明“割线法”在 试凑过程中具有明显的优势，该算法求解颗粒平动速度和转动角速度时快速、高效及可靠。     

基于UDF二次开发黏弹性流体数值研究

针对目前工业上对黏弹性流体数值模拟计算存在计算复杂、收敛状况较差等缺点，课题组基于商业软件FLUENT中二次开发模块UDF，提出了一种基于FLUENT软件核心求解器数值计算黏弹性流体流场的程序编制方法。该编程思路及方法具有普适性，可被推广至具有不同本构关系的黏弹性流体的数值计算。课题组通过多个实例验证了该编程方法的可行性及所编制程序的可靠性，同时提出了“定常问题的非定常化计算”的数值计算方法以提高黏弹性流场数值计算的稳定性与收敛性。结果表明：使用此种方法不仅具有计算方便、可靠等优点，且可以实现不同种类黏弹性流体模型的数值模拟研究。选用合适的时间步长、定常问题非定常算法可以有效加快收敛速度，增强收敛的稳定性。     

高雷诺数层流管道中颗粒惯性聚集力学成因的数值研究

根据高雷诺数和低雷诺数层流管道中颗粒不同的聚集情况，课题组根据“相对运动原理”并结合CFD技术，建立了“相对运动模型”。采用数值模拟研究了在圆形截面通道高雷诺数层流中颗粒所受惯性升力的空间分布特征；探究了颗粒惯性聚集现象在高雷诺数层流管道中所出现的内部聚集圆环的力学成因和影响因素。研究结果表明：颗粒在高雷诺数工况下所受的惯性升力的空间分布规律与低雷诺数工况完全不同；在靠近通道中心处出现了新的升力零点，是形成颗粒内环聚集区域的力学成因。这种现象的产生和颗粒表面的剪切应力分布及压力分布有关，其中剪切应力分布的变化占主导作用。     

方形截面直管道中惯性升力系数的拟合

为研究方形截面微通道内悬浮颗粒的惯性聚集现象，利用“运动相对性”原理对方形截面层流直通道中运动颗粒所受惯性升力进行了数值计算。课题组研究了Carlo采用数据拟合方法获得的升力近似表达式的普适性，为了总结不同工况下颗粒所受惯性升力系数的统一表达式，扩大了模型所选用的工况范围，所得的最佳拟合指数与Carlo的数据大致相同。该升力系数表达式适用于位于方形截面中线上的较大粒径的颗粒。