准一维颗粒流的计算机模拟研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cet1979
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本文在二维空间上构建了一个准一维颗粒流体系,并通过加入随机力场、保守力场、颗粒膨胀度等手段来调控颗粒流的宏观特性。对于该颗粒流体系,利用二维空间上的软球分子动力学模型做了模拟计算,并设计了一套从微观颗粒形态计算出宏观物理参量的方法。经过系统的研究,得到的主要结论如下:  无外力情况下,均匀颗粒流的波动动能在平动自由度之间是均分的,而转动自由度和平动自由度之间则不均分;各自由度的波动动能都沿流动方向逐渐衰减,但转动自由度的波动动能衰减要比两个平动自由度的波动动能衰减缓慢。颗粒流密度越大,其各项波动动能衰减速率也越快;而密度涨落则随颗粒流密度增加而先增加后减小。  施加正态分布的随机力场后,颗粒流的速度和密度变化均不大,而颗粒流的波动动能会有明显增加。密度较大的颗粒流,在同样大小的随机力场下,其最终波动动能所达到的饱和值较小,且其弛豫距离也较短。另外,在有随机力场的情况下,空间各处的颗粒流密度涨落有所增加。随机力场还会增加颗粒流的空间不均匀性。  在具有外加保守力场的情况下,发现力场的势能首先为流动方向的波动动能提供了来源,然后再经由碰撞向横向和转动自由度传递。非均匀力场中,势谷使得颗粒流的波动动能增加而势垒则会消耗颗粒流的波动动能。另外,势谷有助于颗粒密度波动减小,而势垒则导致了颗粒流的不均匀,增加了密度上的波动。  在固定颗粒数的边界条件下,发现颗粒流在非均匀力场中会形成密度波,但均匀力场的情况下无此现象。颗粒密度波的强度与势能存在正相关的关联。随机涨落力的增加可以使得密度波明显减弱。密度波在空间各处存在相同的频率,且该频率不随涨落力的改变而改变。  对颗粒半径随坐标线性增大的颗粒流体系,在固定颗粒数的条件下发现,若颗粒足够多,则颗粒流动中会形成饱和相,两相界面处颗粒波动动能出现峰值。外加加速力场会使得饱和相和非饱和相的界面后移。而外加随机力场的增加使得非饱和相中颗粒的平均波动动能比饱和相中增加得更快,也更明显。饱和相是相对更稳定的相。当随机力增加到较大值时,两相交界处的过渡逐渐变得较为平缓。饱和相中,系统流量随颗粒数增加而线性增加,但增加速度较非饱和相慢。这个体系中,流量随面积分数增加而增加,体系中所有参量的变化均是连续的,且不会出现停滞的堵塞状态。
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