基于MPS方法的直流撞击式喷嘴雾化模拟

摘要

雾化是指液体射流或液膜破碎成液滴的物理现象，它是众多自然现象和工程应用中的共性基础科学问题，高速气流环境下的射流雾化现象复杂，其研究涉及到空气动力学、多相流、湍流、传热传质等多个领域。雾化现象的研究手段严重不足是雾化研究的主要障碍之一。目前理论研究无法完全满足工程设计与分析的要求，大量的研究工作依赖于实验。但试验方法对试验设备和试验技术水平要求很高，试验费用也比较昂贵。当前流行的商业计算力学软件采用成熟的多相数值模拟方法，其模拟准确度极大依赖于建立在雾化机理理解之上的雾化模型，无法加深对雾化机理的认识。
　　本文开发了基于移动粒子半隐式法(MPS)的程序，程序采用了基于自由表面能的表面张力模型和新的自由表面处理方法。将程序用于直流撞击式喷嘴雾化模拟，得到了较好的模拟结果，分析了表面张力模型及粒子数目对模拟结果的影响，比较了不同流动参数下雾化的模拟与实验结果。
　　分析得出表面张力对结果的影响较大，计算中不可忽略。粒子数目对结果也有较大影响，计算前需要验证粒子无关性。通过对比不同雾化模态下实验与模拟结果可看出本文开发的程序成功模拟出了不同的雾化模态，捕捉到了液柱、液膜、液丝、液滴等多尺度结构，得出开发的基于MPS方法的程序适合于直流撞击式喷嘴雾化模拟的结论。
　　由于粒子方法的计算量较大，本文还开展了串行程序的并行化工作。MPS方法中计算量大的两个部分，即邻域粒子搜索和线性方程组的求解。目前已经在CUDA平台上成功实现了邻域粒子搜索算法的并行，并取得了较好的加速效果。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 雾化研究背景及意义

1．2 雾化研究现状

1．3 本文研究内容

1．4 本章小结

第2章 MPS方法

2．1 引言

2．2 控制方程

2．3 粒子相互作用模型

2．3．1 核函数

2．3．2 粒子数值密度

2．3．3 物理光滑模型

2．3．4 梯度算子模型

2．3．5 拉普拉斯算子

2．4 压力泊松方程的推导

2．5 边界处理

2．5．1 无滑移边界

2．5．2 周期性边界

2．5．3 进出口边界

2．5．4 自由面边界

2．6 表面张力模型

2．7 邻域粒子搜索算法

2．8 线性方程组求解

2．9 有限体积法

2．10 计算流程

2．11 方法验证

2．12 本章小结

第3章 直流撞击式喷嘴雾化模拟

3．1 引言

3．2 典型雾化现象的模拟

3．3 表面张力模型的影响

3．4 粒子数的影响

3．5 不同雾化模态下模拟结果

3．6 本章小结

第4章 MPS方法的GPU加速

4．1 引言

4．2 通用GPU计算及CUDA

4．3 邻域粒子搜索算法的GPU加速

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简历

附录