奇妙的光滑粒子

在航空航天動力系統中存在著大量的氣體–顆粒 ( 以下簡稱氣–粒 ) 兩相流動現象。最典型的為固體推進劑鋁顆粒的燃燒流動以及液體推進劑或航空燃油的霧化燃燒過程，該過程對於發動機的能量性能、絕熱材料的燒蝕性能以及發動機燃燒穩定性具有重要的影響。同時，氣–粒兩相流還廣泛存在於自然界、工業、農業、能源、製造以及環保等領域，典型的有自然界中風沙、冰雹、雨雪的運動，化學工業中的流化床，能源工程中煤的利用，石油、天然氣的加工，裝備製造業中鍊鋼煉鐵，水泥、化肥和各種粉末材料的生產過程以及高新技術中納米材料的製備加工，微化工系統及生物代謝過程等均涉及氣–粒兩相流動。因此，針對氣–粒兩相流開展研究對指導工程實際具有廣泛、深遠的意義。

當前有關多相流數值模擬的書籍中，關於氣–粒兩相流數值方法主要有兩種：顆粒軌道模型 ( 又稱離散顆粒模型 ) 和顆粒擬流體模型 ( 又稱雙流體模型 ) 。然而，由於氣–粒兩相流系統具有多態性和複雜性，採用顆粒軌道模型和顆粒擬流體模型處理均會遇到一些問題。因此，闡述一種新的數值方法，解決現有模型在處理此類問題時遇到的困難，同時對新方法應用於各工程領域中的示範進行描述，將為讀者提供一種新的思路。本書系統介紹了氣–粒兩相流概念及研究現狀、氣–粒兩相流常用模型及方法和無網格SPH方法的基本理論等，為在多相流研究和計算流體力學方面零基礎的讀者提供一種循序漸進的學習過程，可有力地提升讀者對於氣–粒兩相流問題的認知水平。

《光滑離散顆粒流體動力學及與有限體積耦合方法：一種氣體-顆粒兩相流數值模擬新方法》闡述了作者及研究團隊提出的一種全新的求解氣–粒兩相流動問題的數值模擬方法——光滑離散顆粒流體動力學方法及與有限體積耦合方法，該方法克服了傳統顆粒軌道模型求解遇到的運算複雜、計算量大、精度低、無法獲取系統宏觀特性的問題，克服了傳統雙流體模型遇到的無法追蹤單顆粒運動軌跡、無法捕捉顆粒流動變形細節、不易加入顆粒蒸發燃燒模型等問題。對廣泛存在於航空航天、現代化工、能源、冶金、材料以及環保等各領域中的氣–粒兩相流動問題進行數值模擬，真實再現顆粒碰撞、流動、蒸發、燃燒等細節過程，為揭示兩相流動機理、改進裝備設計、指導工業生產提供理論依據與技術支撐。

全書共10章，第1章主要闡述氣–粒兩相流動系統的概念、發展現狀、SPH研究現狀及SDPH方法；第2章主要系統論述多相流求解常用模型及方法，使讀者對氣–粒兩相流計算有深入的了解，同時對氣–粒與氣 – 液兩相流計算模型和方法之間的差別有清晰的理解和認識；第3章主要論述SPH方法的基本思想及積分插值理論，對本書新方法使用的邊界施加模型及多相黏性流離散方法進行重點闡述；第4章闡述了基於顆粒動力學模型適於離散顆粒相求解的SDPH方法，通過推導SPH粒子屬性與顆粒屬性間的關係式，將傳統SPH方法進行了改造，同時分析了該方法與傳統SPH方法的差別；第5章論述了從基於顆粒動力學的雙流體模型出發構建的SDPH與FVM間的耦合框架，並與其他現有的四種數值方法進行對比分析；第6章對含顆粒蒸發與燃燒模型的SDPH-FVM耦合方法進行了深入分析；第7章將氣 – 液兩相流這一特殊現象從氣–粒兩相流問題中剝離出來，專設章節進行SPH方法模擬求解的論述；第8章對基於顆粒間碰撞聚合及破碎理論，通過引入結晶動力學中的群體平衡模型，並基於矩方法求解策略所建立的考慮顆粒碰撞聚合、破碎和單顆粒破碎等過程在內的SDPH-FVM耦合新方法進行了詳細闡述；第9章對第8章所述新方法在航天領域中的應用進行了詳細分析和描述；第10章主要拓展新方法在武器研發、化工、災害預防、物料輸送等其他領域中的應用。

希望本書能為多相流研究領域的科研和工程實踐提供幫助，對SPH方法及其與傳統方法的耦合方法的創新和新的應用領域的開拓起到促進作用。

本文摘編自強洪夫、陳福振著《光滑離散顆粒流體動力學及與有限體積耦合方法：一種氣體-顆粒兩相流數值模擬新方法》一書文前部分，內容有刪節。

《光滑離散顆粒流體動力學及與有限體積耦合方法：一種氣體-顆粒兩相流數值模擬新方法》

強洪夫，陳福振 著

北京：科學出版社，2019.3

ISBN 978-7-03-060016-5

責任編輯: 宋無汗 張瑞濤

內容簡介

氣體-顆粒（液滴、氣泡或固體顆粒）兩相流作為自然界和工業生產中很普遍的一種現象，廣泛存在於航空航天、現代化工、能源、冶金、材料以及環保等各個領域，對該問題進行研究具有重要的科學價值和實際意義。本書是論述一種全新的求解氣體-顆粒兩相流動問題數值模擬方法的專著，包括基於顆粒動力學模型的 SDPH 方法的概念、SDPH-FVM 耦合框架及其實現以及考慮顆粒蒸發、燃燒、聚合、破碎等過程的耦合新方法等。全書敘述力求簡明扼要，重點突出。本書適用於高等院校力學、工程熱物理、航空航天、化工等專業高年級的本科生、研究生，以及相關專業的工程和科研人員使用。

本期編輯丨王芳

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