[发明专利]基于IB-LB方法对多颗粒链颗粒平衡间距进行预测的模拟仿真方法

权利要求书

1.一种基于IB-LB方法对多颗粒链颗粒平衡间距进行预测的模拟方法，其特征在于，通过使用浸入边界法，对流体固体之间信息进行准确传递，即三维多颗粒泊肃叶流动模型实现对固体流动的准确描述；通过调整模型参数以构建不同工况，然后模拟不同工况下微尺度流动中颗粒分布情况，即轴向与纵向关键分布位置与颗粒间距大小，进而给出分离位置与分离频率以实现颗粒的操控与分装；

所述的流体固体之间信息包括：流体速度、固体速度、固体边界回复力以及修正后的流体体力；

所述的模型参数包括：管道截面尺寸、流体流速、颗粒尺寸、颗粒初始排布以及管道长度，即颗粒密度、松弛时间和管道尺寸；

所述的对固体流动的准确描述，通过以下方式实现：综合固体附近流体点信息，使用delta函数对其进行插值，获得固体点上速度的初步预估值；然后计算固体点即拉格朗日点上的回复力，并将此回复力离散后求得流场点即欧拉点体力；再通过该修正后的流场体力对流场进行速度修正，完成颗粒与流场的交互影响；

所述的通过使用浸入边界法，对流体固体之间信息进行准确传递，具体包括：

①格子点的碰撞与迁移，其中：碰撞过程采用施加源项的但松弛BGK碰撞模型，保证管道的驱动速度：其中：F_i(x，t)是力源项，用于驱动管道流速以实现泊肃叶流：Δt是单位碰撞时间，F(x，t)为体力即f_b为流速方向取一恒定数值；

②边界处理方法，采用进出口周期流动条件模拟颗粒在无限长管道的流动，其它边界均采用半步反弹周期边界格式；

③使用浸入边界法进行流固耦合过程，通过引入Dirac delta函数δ[x-X(s,t)]实现欧拉坐标和拉格朗日坐标物理量的信息交换：首先计算不加力源项流场点速度：用此速度估得拉格朗日点移动速度通过流场点估得的固体速度与预估速度求得固体点受力然后通过固体点受力对流场速度进行修正:先求得流场点反馈力f_ijk(x，t)＝∫_bf_bD[X_ijk-X_b]ds在用此力计算流体修正速度其中，U^d为下一时步的期望速度，U^noF则是不施加浸入边界体积力得到的临时速度，下标ijk表示欧拉点处的单位量，下标b表示拉格朗日点的单位量，h为颗粒单位面积；

④统计粒子间距：同时统计相邻粒子间的X,Y,Z三方向间距，总间距为:其中统计间距变化情况时需进行两项判断：判断粒子间以及粒子与壁面之间是否会发生碰撞，若碰撞采用碰撞模型；判断间距是否变化剧烈，若符合一定条件则判断间距稳定停止计算，若不符合则继续返回碰撞步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的Dirac delta函数其中：r为拉格朗日点附近选取一定流场区域到颗粒中心距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的颗粒与流场的交互影响，包括颗粒链在横向与纵向的具体分布规律，具体通过以下方式得到：

a.对于方形管道：颗粒易分布在管道轴线处，形成四个稳定的纵向位置，该位置距管道边界的长度随雷诺数Re及颗粒尺寸的变化而变化；颗粒尺寸增大，则纵向平衡位置越接近于管道外侧；提高流速，则距壁面位置则有先增加后减小的趋势，转折雷诺数为100-200；

b.对于颗粒链稳定后的轴向位置，具体包括：

b.1.对于同侧稳定颗粒链，即颗粒流动只沿轴向一侧，未有越过轴线到另一侧粒子的情况：对于粒径比，即颗粒直径与管道水力直径之比为0.4的颗粒来说，颗粒雷诺数小于等于9；

b.2.颗粒密度，即管道长度的增长幅度随密度减小，间距在2-5个粒子间距内，间距随颗粒密度的减小而增加；

c.对于异侧颗粒：间距由颗粒间涡量大小决定，涡量在上下轴线时可彼此相互影响，进而在相同工况条件下与同侧涡量大小并不一致：在密度为(0.45～0.8)时颗粒稳定间距之间是不随Rep变化的，当密度小至0.45时，颗粒间距不再随颗粒密度变化，而是随水流速度变化而改变。