基于范德瓦爾斯理論的氣液相變的SPH數(shù)值模擬研究.pdf

1、自然界的絕大部分物質(zhì)，都以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)這三種聚集態(tài)存在。聚集態(tài)相變問題是涉及到宏觀和微觀、物理和化學(xué)方面的重要研究?jī)?nèi)容。范德瓦爾斯?fàn)顟B(tài)方程描述了粒子間遠(yuǎn)距離相互吸引、近距離相互排斥的作用力，不僅能夠描述氣相、液相共存以及氣液相變，而且能夠用于描述兩相界面處的表面張力。其中部分研究成果對(duì)氣液兩相流與水力機(jī)械表面的沖蝕問題、特殊材料表面的相變問題、多相流問題研究具有借鑒價(jià)值。
　　光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）方法是一種無網(wǎng)格的拉格

2、朗日粒子計(jì)算方法。該方法一個(gè)粒子表征在連續(xù)性介質(zhì)尺度上一定大小的體積的特性，與經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法和耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法思路相似，使得該方法能夠利用描述粒子間作用力的狀態(tài)方程來進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算。本文采用 SPH方法，結(jié)合范德瓦爾斯相變理論，進(jìn)行了氣液兩相相互轉(zhuǎn)化的研究。在SPH相變模型中，為了得到穩(wěn)定合理的計(jì)算結(jié)果，需要將范德瓦爾斯?fàn)顟B(tài)方程中的吸引力和排斥力在運(yùn)動(dòng)方程中分別進(jìn)行考慮，增大吸引力的光滑長(zhǎng)度。采用在模型中添加一個(gè)核心斥力作用，以

3、及人工黏性項(xiàng)作用等方法來改善SPH方法固有的應(yīng)力不穩(wěn)定問題。
　　二維 SPH模型中采用了流體粒子與壁面粒子間排斥作用的勢(shì)能函數(shù)模擬疏水壁面排斥力，并與采用范德瓦爾斯?fàn)顟B(tài)方程模擬的表面張力相結(jié)合的作用模式。通過模擬兩個(gè)靜止的等體積液滴相互融合的過程，驗(yàn)證了計(jì)算模式在SPH方法中模擬液滴的表面張力中的適用性。采用該模式模擬液滴撞擊疏水壁面過程，模擬結(jié)果與液滴撞擊疏水壁面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合較好，表明表面張力和疏水壁面作用力處理模式對(duì)模

4、擬液滴撞壁過程具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過模擬液滴在高溫壁面的汽化現(xiàn)象，以及高溫氣體在冷壁面熱傳遞作用下在壁面附近冷凝液滴的形成、長(zhǎng)大與合并現(xiàn)象，驗(yàn)證了模型在模擬氣液相變方面的有效性。
　　采用水的范德瓦爾斯參數(shù)進(jìn)行了三維相變模擬。通過模擬真空中一個(gè)尺度為40納米左右，初始狀態(tài)達(dá)到平衡的超臨界范德瓦爾斯流體，形成冷凝液滴的過程對(duì)模型進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證，結(jié)果表明達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后形成冷凝液滴的密度與理論值接近。為了求得三維范德瓦爾斯流體的相變圖