自由上浮气泡运动特性的光滑粒子流体动力学模拟

摘要

基于虚功原理,在Hu X Y等和Grenier N等的研究结果基础上推导了多相流光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)控制方程,采用精度较高的黏性力和表面张力模型,发展了一套适用于具有大密度比和大黏性比界面的多相流SPH方法.首先,通过施加人工位移修正,适当背景压力和异相界面力,使得计算全程粒子分布相对均匀,改善了界面处的失稳现象,防止了异相界面处粒子的非物理性穿透;在此基础上,利用方形流体团振荡模型对表面张力模型进行了验证,数值结果与解析解甚为吻合;然后采用上浮气泡经典数值算例对比研究了不同黏性力计算方法、不同核函数的适用性以及人工位移修正的效果;最后,对单个气泡的上浮、变形、撕裂以及垂向两个气泡的追赶、融合等现象进行了模拟,初步揭示了气泡上浮过程中各种有趣物理现象的细节过程和动力学机理.