【摘 要】
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含热对流的颗粒两相流动问题广泛存在于工程和科学的众多领域，涉及流体流动、颗粒运动、颗粒和流体的相互作用，以及与温度相关的复杂耦合效应.传统的网格方法难以模拟相关问题，因为复杂且运动的颗粒边界会导致流体区域网格的大变形以及不停的重构.目前流行的无网格与粒子类方法在处理运动边界与多物理场耦合效应上有着自然的优势.但是，目前的无网格模拟大多研究颗粒动量交换或自然热传导问题，对含能量交换(热对流)的颗粒流
【机 构】
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北京大学工学院,北京 100871;北京大学海洋研究院,北京 100871 北京大学工学院,北京
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含热对流的颗粒两相流动问题广泛存在于工程和科学的众多领域，涉及流体流动、颗粒运动、颗粒和流体的相互作用，以及与温度相关的复杂耦合效应.传统的网格方法难以模拟相关问题，因为复杂且运动的颗粒边界会导致流体区域网格的大变形以及不停的重构.目前流行的无网格与粒子类方法在处理运动边界与多物理场耦合效应上有着自然的优势.但是，目前的无网格模拟大多研究颗粒动量交换或自然热传导问题，对含能量交换(热对流)的颗粒流动数值模拟基本空白.本文基于有限粒子法[1](FPM)，结合新的粒子位移技术形式[2](PST)，并在动量及能量方程中考虑Boussinesq近似以求解颗粒/流体与流体之间的热对流效果，发展了一种可以有效模拟含热对流颗粒流动问题的粒子类方法.模拟结果表明，有限粒子法大幅度提高了传统光滑粒子流体动力学方法[1-3] (SPH)的计算精度，而新型粒子位移技术增加了计算的稳定性，可以避免流体粒子间空腔的出现及计算中断的发生，从而使得模拟能在更高的瑞利数下进行(如图2).FPM-PST模拟结果和文献数据以及虚拟边界有限元法(FE-FBM)模拟结果高度一致(如图1).数值模拟结果表明，在低雷诺数下，热颗粒与冷流体间的热交换会大大增加颗粒所受的拖曳力，而冷颗粒与热流体间的热交换会取得完全相反的效果.
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本文采用分子动力学方法，系统研究了孤立波在一维颗粒链中的碰撞特性。由于颗粒物质的离散性，孤立波在颗粒链中的碰撞特性与传统的线性波碰撞不同。研究表明，同振幅孤立波在奇数颗粒链中的对撞会形成不携带任何动能的“冷点”，不同振幅孤立波在对撞后，存在能量迁移现象，即大振幅孤立波损失能量，小振幅孤立波获得能量。本文首次实现了对孤立波碰撞时相位的调控，解决了孤立波在离散颗粒链中碰撞位置由奇到偶的连续变化问题，发
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针对实际体系涉及的非球形及可变形颗粒,采用NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines,非均匀有理B样条)表征非球形形状,及弹簧网络模型(Spring Network Model)表达颗粒变形过程,实现非球形可变形颗粒的离散单元模拟。在众多非球形表征方式(解析式、组合式、多面体、超二次曲面和样条等)中,NURBS可由少量的取样点完成任意光滑曲面的样条表达,相比于其他方
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