三维分形絮团沉降的格子Boltzmann模拟

黏性泥沙絮团的形成机理和沉降特性对河口海岸细颗粒泥沙运动规律研究具有重要作用。为了从微观结构出发研究絮团运动机理,由扩散受限絮凝体聚集模型生成不同大小的分形絮团,引入格子Boltzmann方法模拟三维分形絮团的静水沉降,获得了絮团沉速的变化过程。比较格子Boltzmann算法模拟结果与采用盒子计数分维数的 Winterwerp絮团沉速公式,发现二者有较好的一致性,表明格子Boltzmann模拟方法可应用于河口海岸环境中的黏性泥沙运动研究。     

絮凝剂作用下黏性细沙絮凝沉降规律研究

细颗粒泥沙广泛分布于河流、水库、河口及海岸水体中,其絮凝沉降及输移规律是泥沙运动力学中一个重要课题。采用自制沉降实验装置,实验观测了不同絮凝剂浓度、不同浓度黏性细颗粒泥沙的絮凝沉降过程,分析研究了黏性细沙絮凝沉降规律。结果表明：聚合氯化铝(PAC)絮凝剂比较稳定,PAC溶液浓度对不同泥沙浓度絮团沉速的影响均较小,最佳投放浓度可统一采用0.08 g/L。阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)絮凝剂对泥沙浓度的反应最为敏感,絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为3个稳定段和2个敏感段,稳定段CPAM最佳投放浓度分别为0.08、0.10和0.12 g/L,敏感段CPAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为2个稳定段和1个敏感段,稳定段APAM最佳投放浓度不随泥沙浓度的变化而变化,分别为0.08和0.10 g/L,敏感段APAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。絮凝剂APAM的絮凝效果最好,絮凝剂CPAM的絮凝效果次之,絮凝剂PAC的絮凝效果较差。     

黏性细颗粒泥沙絮凝及沉降的三维模拟

鉴于试验观察黏性细颗粒泥沙悬浮体系絮凝-沉降过程存在技术困难，尝试以分形生长理论为基础，使用改进的受限反应絮团聚集(RLCCA)模型，在计算机上模拟这一复杂过程。模型考虑了絮团的分形结构与可渗透特性、泥沙浓度对悬浮液黏性的影响等因素，复演颗粒、絮团在重力沉降和布朗作用下的三维运动及相互碰撞并黏结的现象。在对模拟数据的统计分析基础上，讨论了絮凝-沉降过程的各种特性，结果表明：碰撞效率系数不同时，絮凝发育过程存在相似性。     

扁球体泥沙颗粒沉降的三维格子Boltzmann模型

应用格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)模拟扁球体单颗粒沉降,并引入大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)描述较大颗粒沉降引起的尾流紊动,建立了扁球状泥沙颗粒沉降的三维数值模型。利用该模型对不同雷诺数下(1～7 580)扁球体泥沙颗粒的静水沉降进行了验证模拟。数值模拟结果与已有试验数据相比较,在泥沙颗粒沉降轨迹、沉降速度和阻力系数等方面有较好的一致性。     

高浓度黏性泥沙絮团微观结构及其对沉降特性的影响

为探究絮团微观结构特征与高浓度黏性泥沙沉降特性间的关系,以高岭土沉降实验为基础,采用电镜扫描技术分析絮团结构,从絮团微观结构角度解释黏性泥沙沉降过程中浓度分布、胶凝点浓度等特性,结合实验数据讨论常见的孔隙形态参数.结果表明:絮团的微观结构与黏性泥沙的沉降特性密切相关,沉降过程中垂向浓度分布、胶凝点浓度等特性均可通过对絮...     

黏性泥沙絮凝研究综述与展望

絮凝是黏性泥沙最重要的特性之一,也一直是泥沙基本理论和运动规律研究的重点和难点课题,对絮凝过程与机制的研究是理解、模拟和预测黏性泥沙及其携带物质输运规律的关键.总结了黏性泥沙絮凝机制、絮团特性和影响絮凝因素方面的研究成果与进展,并分析提出了现有研究的不足,主要有三方面:对黏性泥沙生物絮凝过程与作用机理的精细化研究薄弱;...     

温度对黏性泥沙絮凝影响的机理研究

用格子玻耳兹曼方法,引入胶体作用理论(e Xtended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek theory,XDLVO理论)模拟不同温度下两个黏性泥沙颗粒静水不等速沉降絮凝过程。结果表明,温度升高缩短泥沙絮凝时间,促进絮凝。同时分析了泥沙颗粒的运动轨迹、相对运动速度和颗粒间近距离作用力,探讨温度对泥沙絮凝的影响机理。分析结果认为温度升高一方面减小水体黏性系数,加大泥沙沉速,加快泥沙颗粒相互靠近;另一方面,增大泥沙颗粒表面吸附水膜厚度的同时,也增大泥沙颗粒之间的近距离排斥力,对吸附水膜厚度和排斥力影响的综合结果也促进了絮凝。     

黏性泥沙絮凝研究进展

黏性泥沙颗粒的絮凝特性表现出与粗颗粒泥沙迥异的物理及输移特性,因此黏性泥沙絮凝是河流海洋泥沙理论研究中的热点之一。总结了黏性泥沙絮凝在试验研究和数学模型方面的研究成果,介绍了最新的相关研究进展,并分析了现有研究中存在的问题。认为目前存在的主要问题有:①有关黏性泥沙的试验研究以单因素影响试验为主,缺少多因素影响研究;②对泥沙絮团的三维结构形态研究不足;③相关数学模型只能描述定性规律。今后应在黏性泥沙相似准则、多因素影响试验、絮团微观结构观测仪器开发、大尺度三维絮凝数值模拟等方面加强研究。     

模拟黏性波二维格子Boltzmann方法的改进

运动学边界条件格子Boltzmann模型(Lattice Boltzmann Equation-Kinematic Boundary Condition,LBE-KBC)中对于流体静压梯度项的处理很容易导致非物理振荡。该文改进了LBE-KBC方法,将流体静压梯度项整合到格子Boltzmann方法的平衡分布函数中,从而从根源上消除了模式的非物理振荡。通过理论分析表明,改进模式的平衡分布函数所导致的误差为二阶小量,可作忽略。通过黏性驻波模拟,结果显示改进模式的精度与原LBE-KBC方法基本一致;通过波沿潜堤的传播模拟,结果显示改进模式能够成功再现波的浅水作用、非线性和衰减现象,具有一定的实用性。     

黏性泥沙絮凝研究现状与进展

黏性泥沙絮凝机理研究对河口、水库、航道淤积治理及水环境保护具有重要意义.总结了泥沙絮凝研究中数值模拟、现场观测、室内试验等手段的试验装置和方法,阐述了紊动剪切率、盐度、悬沙浓度、有机质等因素作用下的泥沙絮凝研究成果.分析认为,在三维絮团结构观测、高浓度水体絮凝试验装置、多因素影响的泥沙絮凝,以及水流紊动与絮团特性对应关...     

絮团与颗粒不等速沉降碰撞研究

絮团和单个颗粒的碰撞、粘结规律对于深入理解粘性泥沙不等速沉降引起的絮凝具有重要意义。在暂不考虑絮团与颗粒间相互作用力的条件下,用不同密度球形颗粒近似描述絮团,利用格子Boltzmann方法模拟了不同密度絮团和单个颗粒静水沉降过程,分析了絮团和颗粒相对运动轨迹和碰撞效率。模拟结果表明,絮团和单个颗粒不等速沉降碰撞过程中,当较大粒径的絮团沉降速度快但密度较小时,单个颗粒相对于絮团运动可能形成封闭轨迹,絮团和颗粒间粘结概率几乎为零,絮团很难通过捕捉单个颗粒而形成更大絮团。     

黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程数学模型研究

黏性泥沙运动特性是河流海洋泥沙动力学研究热点之一。为研究紊动水体中黏性泥沙运动过程及其机理,以絮凝动力学方程为基础,通过设置不同粒径级别的泥沙絮团再悬浮量为下边界条件来反映黏性泥沙絮团的再悬浮,建立了黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮动态过程数学模型。模型验证结果表明,新建模型可用于描述黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程,且具有一定的精度。最后以泥沙絮团体积分布为指标,探讨了强紊动水体中絮凝、沉降和紊动扩散在这一动态过程中的作用。研究结果表明,强紊动水体中,上层区域泥沙絮团分布的决定因素是沉降和紊动扩散;中部区域是絮凝;下层区域是絮凝和紊动扩散。     

水体紊动对黏性泥沙絮凝影响研究

紊动水流中黏性泥沙絮凝沉降对河口海岸黏性泥沙输送过程起着十分重要的作用。建立了均匀各向同性紊流中黏性泥沙絮凝沉降的三维格子玻尔兹曼数学模型,模拟不同紊动剪切率对黏性泥沙絮凝过程的影响。模拟结果表明:随着紊动剪切率的增加,计算区域内絮团形成所需的时间先减少后增加,黏性泥沙沉降速度也呈现先减小后增大的趋势,剪切率的转折点在200s-1左右,与已有观测结果一致。模拟结果反映了低强度水体紊动对絮凝有促进作用而高强度水体紊动对絮凝有抑制作用。     

黏性泥沙数学模拟中几个关键问题的研究进展

综合评述了黏性泥沙数学模拟中的关键问题,包括泥沙絮凝沉速、水流挟沙力、恢复饱和系数等参数的选取,以及黏性泥沙固结模型的研究。对黏性泥沙数学模拟需进一步研究的问题提出了若干建议。     

Sine-Gordon方程的格子Boltzmann模型

格子Boltzmann方法为研究非线性复杂系统提供了一种新的手段。文中采用单驰豫形式的格子Boltzmann方程,建立起了Sine—Gordon方程的格子Boltzmann模型,并对该方程进行了数值模拟,得到了令人满意的结果。     

格子Boltzmann方法在模拟液滴冲击液面中的应用

应用格子Boltzmann两相流方程,结合水平集界面重构技术,提出两相流的数值模型。采用五阶WENO格式和三阶TVD Runge-Kutta格式来求解水平集函数的输运方程。在不计重力的条件下,对液滴平动进行了数值模拟,在计算了800个时间步后,平动的液滴仍然保持原来的形状。在考虑重力的条件下,对液滴在空气中自由下落、液滴冲击液面的全过程进行了数值模拟,精细地刻画了液滴和液面界面的变化过程。数值模拟结果与物理现象一致。