低马赫数下圆球绕流的硬球-拟颗粒模拟

硬球-拟颗粒模拟(HS-PPM)能够描述流动的微观细节,已应用于反应-扩散耦合和超声速流动等的研究。但对过程工业中广泛存在的低马赫数(Ma<1.0)流动,HS-PPM的适用性还没有直接证据。本文以低雷诺数(Re≤10)和低马赫数(Ma<1.0)下的圆球绕流为实例探索了这种可行性。圆球表面以解析法描述以保证光滑性,并采用回弹模型保证无滑移边界条件,所有方向上采用周期性边界条件。当Ma<0.1时,分析了模拟体系固含率、模拟区域的形状以及努森数对曳力系数的影响。结果表明,曳力系数随固含率的提高而增加;低固含率下的曳力系数与无限大流场中的单颗粒绕流接近;低努森数下得到的曳力系数更高。采用时空平均得到的流场稳定、轴对称,且无明显的温度和密度梯度,符合公认的实验和模拟结果。Ma>0.1时的曳力系数随马赫数的变化符合前人报道。上述结果展示了HS-PPM用于低马赫数流动研究的可行性。

硬球-拟颗粒模拟高超声速稀薄气体流动

发展了适应高超声速稀薄流动的硬球-拟颗粒模拟(HS-PPM),并分别采用硬球分子动力学模拟(HS)、HS-PPM和直接模拟蒙特卡洛(DSMC)对马赫数为5、努森数为0.8的圆球绕流进行模拟,证明了HS-PPM可以得到更接近HS的模拟结果。对雷诺数100、马赫数5~19的三维圆球绕流,采用HS-PPM模拟得到了填充率0.01~0.08、完全热边界和完全滑移边界条件下的曳力系数,与HS模拟结果的一致性较好;模拟了马赫数24、努森数0.11~4.55的零攻角三维尖锥绕流,结果与文献中DSMC的模拟结果相符。研究验证了HS-PPM处理高超声速稀薄气体流动的可行性。