多相流自由界面不稳定性的计算流体力学研究

批准号:
11202020
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
26.0 万元
负责人:
邓小龙
依托单位:
学科分类:
A0910.计算流体力学
结题年份:
2015
批准年份:
2012
项目状态:
已结题
项目参与者:
任明明、林海
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中文摘要
多相流自由界面的不稳定性问题是多相流中的重要问题,与液滴破碎、燃料输运、水下爆炸、喷流、惯性局限融合等许多问题紧密关联。在一些复杂的系统中,更是存在多种不稳定性机制相互竞争。通过研究这类问题,在科学上可以帮助人们理解许多现象背后的物理机制,在工程上可以帮助发展相关设计和工艺。本课题拟在一种既有可压缩多相流计算流体力学算法体系基础上继续发展,并应用其更深入的研究多相流自由界面的不稳定性问题。从一些基本的Rayleigh-Taylor、Kelvin-Helmholtz和Richtmyer-Meshkov不稳定性问题出发,在线性阶段与理论解进行对比,在包括非线性阶段的更完整的过程中和实验结果进行对比。一方面完善算法体系,一方面研究探讨物理过程。在此基础上,进一步研究包括高速气流中的液滴破碎这样的更复杂的系统,研究其中各种不稳定性各种模式的相互竞争,探讨不同流体属性和不同的流场对不稳定性的影响。
英文摘要
Interfacial instability in multi-fluid system is very important in the study of multi-phase flows. Many phenomena, including drop aerobreakup, fuel transportation, under-water explosion, jet, and inertial confinement fusion are closely related to it. In some complex systems, several different instabilities compete with each other. With the study on this kind of problems, people can get better understanding about the inside physics mechanisms, and can get more ideas to improve designs and techniques. In this project, we plan to continue the development of a compressible multi-phase computational fluid dynamics algorithm system,and apply it to study the multi-fluid interfacial instability problems. We plan to start from some basic instabilities, including Rayleigh-Taylor, Kelvin-Helmholtz and Richtmyer-Meshkov. In the linear region, we can compare with some existing theoretical solutions; in the bigger region, including the nonlinear region, we can compare with some experimental results. In this way, we can improve the algorithm system and study the physics process. Upon these, we plan to continue to study more complex systems, like drop aerobreakup. The competition of different instabilities and different modes, the effects of different fluid properties and different flow fields will be studied.
有清晰界面的多相流现象在自然界和工程问题中广泛存在,界面不稳定性在许多这类问题中起着重要作用。由于实际问题通常的非线性和复杂性,以及理论和实验的局限性,计算成为研究这类问题非常重要的手段。本项目在自然科学基金的支持下,对有清晰界面的多相流问题进行研究,从多相流计算流体力学方法设计和程序发展,以及界面不稳定性问题的研究几个方面开展了工作。在计算方法和程序发展方面,我们解决了切割网格方法的融合和分离的问题;发展了切割网格下的间断有限元(Discontinuous Galerkin)方法;并对原始的切割网格方法程序做了OpenMP和MPI+OpenMP的并行化;发展了SPH上的陡峭界面方法;发展了一种可以较好地计算粘性和粘弹性自由界面流体问题的更稳定更精确的弱可压SPH方法;以及探讨了耗散界面方法中不同的表面张力计算方法。在问题的研究方面,用切割网格方法研究了薄层流体的Rayleigh-Taylor不稳定性;研究了Kelvin-Helmholtz不稳定性主导的高速气流中的液滴变形;研究了Richtmyer-Meshkov不稳定性和微射流问题。通过这些研究,进一步推进了可压缩流和不可压缩流的陡峭界面多相流计算方法,获得了精度更高、更稳定、性能更强的程序,对自由界面不稳定性以及相关的多相流物理问题有了更深的理解,为下一步的工作奠定了良好的基础。
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An improved weakly compressible SPH method for simulating free surface flows of viscous and viscoelastic fluids
模拟粘性和粘弹性流体自由表面流的改进弱可压缩SPH方法
DOI:10.1016/j.cpc.2015.12.016
发表时间:2016-04
期刊:Computer Physics Communications
影响因子:6.3
作者:Xiaoyang Xu;Xiao-Long Deng
通讯作者:Xiao-Long Deng
DOI:10.1142/s0219876216410048
发表时间:2016-07
期刊:International Journal of Computational Methods
影响因子:1.7
作者:K. Yokoi;R. Onishi;Xiao-Long Deng;M. Sussman
通讯作者:K. Yokoi;R. Onishi;Xiao-Long Deng;M. Sussman
DOI:10.1016/j.jcp.2015.09.015
发表时间:2015-12
期刊:J. Comput. Phys.
影响因子:--
作者:Mingyu Zhang;Xiaolong Deng
通讯作者:Mingyu Zhang;Xiaolong Deng
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