基于 Metaball 成像的离散元格子 Boltzmann 方法及其用于复杂形态流体-颗粒系统以沉降为例
计算工程、金融与科学
2023-02-01 v2
摘要
流体-颗粒系统对颗粒形态高度敏感。尽管在形状描述与耦合方案方面已有诸多尝试，如何在精度与效率间取得平衡地模拟颗粒-颗粒及颗粒-流体相互作用仍具挑战，尤其在考虑复杂形状颗粒时。本研究提出一种基于 Metaball 成像（MI）的离散元格子 Boltzmann 方法（DELBM），用于含不规则形状颗粒的流体模拟。主要创新在于 MI 算法，其利用 Metaball 函数作为数学表征以捕获真实颗粒形状，因其在复杂形状表达上兼具通用性与高效性。接触检测通过最近点梯度计算与基于 Newton-Raphson 的 scheme 稳健处理。与 LBM 的耦合由经典锐界面方案完成。对于回填，实现了基于反弹规则的局部回填算法。对三个不规则天然卵石沉降实验的验证表明，所提模型在探究浸没于流体系统中的不规则颗粒介质微观力学方面有效且强大。通过不同形状双颗粒“尾流、接触与翻滚”现象的数值算例，进一步探讨了该模型在形状诱导物理过程研究上的潜力。
引用
@article{arxiv.2209.10411,
title = {Metaball-Imaging Discrete Element Lattice Boltzmann Method for fluid-particle system of complex morphologies with settling case study},
author = {Yifeng Zhao and Pei Zhang and Liang Lei and S. A. Galindo-Torres and Stan Z. Li},
journal= {arXiv preprint arXiv:2209.10411},
year = {2023}
}