耦合离散流体理论的差分格式及其应用

求解 Navier- Stokes方程组 ,一直是粘性流动计算的主导途径。但在计算中 ,都是在一定的网格单元上进行离散 ,而对不同的离散单元 ,流动的特征并不相同。本文通过离散单元上网格雷诺数的变化分析 ,采用耦合离散流体理论 (CDFT)差分格式 ,对向后台阶底部超声速流动问题进行数值模拟 ,得到了满意的结果。

基于块体离散元法的多面体接触重叠算法

近年来随着非连续介质力学方法的发展,离散元法成为了颗粒材料的物理力学特性研究的重要工具。而对于任意形状复杂块体,精确的接触检测算法一直是离散元法的难题之一。本文基于几何对偶理论,在耦合模拟器CoSim(Coupling Simulator)的块体离散元框架下开发了多面体接触重叠算法。该算法融合了GJK(Gilbert-Johnson-Keerthi)和快速凸包等算法,能够准确计算重叠多面体,进而从接触重叠体中提取接触点、法线方向、接触面积和嵌入深度等接触特性。通过颗粒碰撞测试和砌体结构破坏试验,验证了该算法的准确性和适用性,能够解决多面体的接触问题。

基于CFD-DEM耦合的导向钻头井底岩屑运移特性分析

为了探究旋转导向钻具在导向钻进过程中井底岩屑运移规律,采用计算流体动力学和离散单元法耦合算法(CFD-DEM)建立描述井底钻井液与岩屑颗粒复杂两相流动的模型,运用有限元软件与离散元软件分析旋转导向钻具井底岩屑颗粒的运动学特性;探讨旋转导向钻头偏置角度、钻井液流速、钻头转速、岩屑颗粒粒径对井底岩屑颗粒运移特性的影响规律。结果表明:提高转速与钻井液流速,岩屑颗粒的运移速度随之增大,对于井底岩屑颗粒的运移起到正反馈的作用,可提高井底清洁度;岩屑颗粒粒径的增大会减小岩屑颗粒的运移速度,当岩屑颗粒的直径大于3 mm时,岩屑运移速度减小更加明显;旋转导向钻具钻头偏置会导致井底空间结构的变化,岩屑颗粒动能和钻井液水力能量也会削弱,最终会加剧钻头磨损,产生泥包等。

基于扩展多面体单元的DEM-SPH耦合算法及应用

对于颗粒材料与流体介质的动力作用可分别通过离散元方法(Discrete Element Method, DEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)模拟颗粒和流体,并采用DEM-SPH算法计算两种介质间的耦合作用。当颗粒材料采用多面体单元进行模拟时,颗粒单元与流体之间会形成几何形状复杂的流固耦合界面,不宜采用计算效率较低的传统边界粒子方法。为此,该文基于Minkowski Sum方法构造扩展多面体单元,并通过Hertz接触模型计算单元间的接触力,进而建立基于扩展多面体单元的DEM方法;流体介质采用弱可压缩格式的SPH方法。将几何复杂的流固界面耦合作用近似为排斥力模型,从而只对SPH粒子与固体界面进行几何判断即可确定两者的相互作用力。该方法避免了对大量边界粒子进行的相关计算,具有计算简便且适用于复杂固体边界的优点。该文进一步采用基于GPU的并行算法从而实现DEM和SPH的高性能计算以提高DEM-SPH耦合的计算效率。采用以上方法对方柱绕流和溃坝冲击块体过程进行了数值计算,并与相关试验数值和计算结果进行了对比验证,一致性很好,进而说明了该文建立的DEM-SPH耦合方法对颗粒材料与流体介质相互作用数值模拟的合理性和准确性。

粘性流动有限差分计算的新策略

对粘性流动计算 ,提出有限离散单元流动的流体分析 (理论 )和耦合离散流体理论 (CDFT)的差分格式 .利用CDFT差分格式计算Burgers方程和计算激波边界层干扰流动的数值实验表明 :对计算精度和计算效率的提高 ,CDFT格式比提高常用差分格式 (即离散流体力学方程得到的格式 )精度和改进常用格式形式等更有效 ,且运算量小 .