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)方面的重要研究內(nèi)容。范德瓦爾斯?fàn)顟B(tài)方程描述了粒子間遠距離相互吸引、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氣液兩相流與水力機械表面的沖蝕問題、特殊材料表面的相變問題、多相流問題研究具有借鑒價值。
　　光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）方法是一種無網(wǎng)格的拉格

2、朗日粒子計算方法。該方法一個粒子表征在連續(xù)性介質(zhì)尺度上一定大小的體積的特性，與經(jīng)典分子動力學(xué)方法和耗散粒子動力學(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)方程來進行流體力學(xué)計算。本文采用 SPH方法，結(jié)合范德瓦爾斯相變理論，進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動方程中分別進行考慮，增大吸引力的光滑長度。采用在模型中添加一個核心斥力作用，以

3、及人工黏性項作用等方法來改善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。通過模擬兩個靜止的等體積液滴相互融合的過程，驗證了計算模式在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驗結(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模

4、擬液滴撞壁過程具有實際應(yīng)用價值。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、長大與合并現(xiàn)象，驗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)進行了三維相變模擬。通過模擬真空中一個尺度為40納米左右，初始狀態(tài)達到平衡的超臨界范德瓦爾斯流體，形成冷凝液滴的過程對模型進行了進一步驗證，結(jié)果表明達到穩(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