颗粒介质全相态理论及数值实现

　　颗粒介质运动问题是广泛存在于航空航天、现代化工、生态环境、地质灾害、材料加工乃至社会科学等各个领域中的一大类科学问题，对该问题进行研究具有重要的科学价值和实际意义。由颗粒介质组成的复杂系统在不同外界条件下通常表现出复杂多样的流动行为，如何有效描述这些复杂流动行为是学术界一直努力寻求的目标。《颗粒介质全相态理论及数值实现》即针对这一问题，论述一种全新的描述颗粒介质的类固、类液、类气以及离散惯性态等全部相态的理论、模型和数值模拟方法。《颗粒介质全相态理论及数值实现》共分十一章：绪论、浓密颗粒介质的弹-黏-塑性本构理论、颗粒介质的全相态理论、液体中悬浮颗粒介质理论、浓密颗粒介质模拟的SDPH方法、稀疏颗粒流模拟的SDPH方法、超稀疏颗粒流模拟的离散单元法、颗粒介质全相态模拟的SDPH-DEM耦合方法、液体-颗粒两相流模拟的SPH-SDPH-DEM耦合方法、颗粒介质边界力施加方法以及颗粒介质全相态理论及方法在工程中的应用。《颗粒介质全相态理论及数值实现》叙述简明扼要，重点突出。

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目录
丛书序
前言
第1章绪论
1.1颗粒介质问题研究的重要性001
1.2认识颗粒介质及其多相态性003
1.2.1颗粒介质003
1.2.2颗粒介质的性质003
1.2.3颗粒介质问题所涉及的领域004
1.2.4颗粒介质的相态表征006
1.3颗粒介质的相态表征理论研究现状006
1.3.1颗粒介质的单一相态表征理论研究现状006
1.3.2颗粒介质的多相态表征理论研究现状009
1.4颗粒介质的数值模拟方法研究现状011
1.4.1模拟颗粒介质的网格法研究现状011
1.4.2模拟颗粒介质的轨道追踪法研究现状011
1.4.3模拟颗粒介质的物质点法研究现状014
1.4.4模拟颗粒介质的光滑粒子流体动力学方法研究现状015
1.5颗粒介质的全相态理论与数值实现方法介绍017
1.5.1关于“颗粒介质全相态”017
1.5.2颗粒介质全相态理论简介018
1.5.3颗粒介质全相态数值模拟方法简介019
1.6本书内容安排021
参考文献022
第2章浓密颗粒介质的弹黏塑性本构理论
2.1引言034
2.2颗粒类固态的理想弹性塑性本构理论035
2.3颗粒类液态的黏性塑性本构理论044
2.4浓密颗粒介质的弹黏塑性本构理论047
2.5考虑内聚力的浓密颗粒介质的弹黏塑性本构理论054
2.6干、湿颗粒堆坍塌过程数值验证061
2.7小结065
参考文献066
第3章颗粒介质的全相态理论
3.1引言068
3.2稀疏颗粒流的动理学理论069
3.2.1颗粒动理学理论069
3.2.2考虑颗粒摩擦作用的颗粒动理学理论075
3.3超稀疏颗粒流的质点动力学理论077
3.4颗粒介质全相态的弹黏塑动理学质点动力学耦合理论080
3.4.1颗粒类固态与颗粒类液态之间的转化080
3.4.2颗粒类液态与颗粒类气态之间的转化081
3.4.3颗粒类气态与颗粒离散惯性态之间的转化082
3.5干颗粒物料沿壁面快速流动冲击壁面堆积过程数值验证082
3.6小结087
参考文献087
第4章液体中悬浮颗粒介质理论
4.1引言089
4.2密实悬浮液的体积分数主导流变学理论090
4.2.1密实悬浮液单相流理论模型090
4.2.2密实悬浮液液体颗粒两相流理论模型093
4.3密实悬浮液的应力主导流变学理论097
4.4考虑颗粒介质全相态的液体颗粒两相流理论099
4.4.1液体相守恒方程100
4.4.2颗粒相守恒方程101
4.4.3体积分数及物质属性确定方法102
4.4.4相间曳力模型103
4.5液体中颗粒堆坍塌的两相流数值模拟验证104
4.6小结108
参考文献108
第5章浓密颗粒介质模拟的SDPH方法
5.1引言110
5.2传统SPH理论111
5.2.1核函数积分插值111
5.2.2粒子近似112
5.2.3连续介质模型的SPH离散方法113
5.2.4SPH方程积分求解115
5.3新型SPH修正算法116
5.3.1完全拉格朗日SPH方法116
5.3.2SPH核函数及其梯度的修正近似117
5.4光滑离散颗粒流体动力学方法118
5.4.1SDPH方法基本思想118
5.4.2SDPH方法与传统SPH方法的区别119
5.5浓密颗粒介质弹黏塑性本构模型的SDPH离散120
5.5.1浓密颗粒介质类固态的完全拉格朗日形式的SDPH离散120
5.5.2浓密颗粒介质类液态的欧拉形式的SDPH离散120
5.5.3浓密颗粒介质类固态和类液态之间的粒子核转变121
5.6考虑内聚力浓密颗粒介质的人工应力方法123
5.7二维/三维单侧颗粒堆坍塌过程数值验证124
5.8倾斜壁面上颗粒堆坍塌过程数值验证130
5.9滚筒颗粒流问题数值验证135
5.9.1滚筒内无内聚力的干颗粒材料运动过程数值模拟135
5.9.2滚筒内黏结性颗粒周期性坍塌过程数值模拟138
5.10小结142
参考文献143
第6章稀疏颗粒流模拟的SDPH方法
6.1引言145
6.2稀疏颗粒流模拟的SDPH方法145
6.3气体颗粒两相流模拟的SDPHFVM耦合方法147
6.3.1气体相求解的FVM方法147
6.3.2SDPHFVM耦合框架148
6.3.3SDPHFVM耦合算法流程149
6.4考虑颗粒蒸发、燃烧过程的SDPHFVM耦合方法151
6.5考虑颗粒碰撞聚合、破碎过程的SDPHFVM耦合方法153
6.6算例验证155
6.6.1燃料空气炸药爆炸抛撒成雾过程数值模拟155
6.6.2云雾团燃烧爆炸过程数值模拟161
6.7小结163
参考文献163
第7章超稀疏颗粒流模拟的离散单元法
7.1引言165
7.2离散单元法简介165
7.2.1离散单元法的起源166
7.2.2离散单元法的发展历史166
7.2.3离散单元法求解问题的基本思想及定义167
7.3离散单元法基本原理167
7.3.1离散化模型167
7.3.2运动描述168
7.3.3运动方程求解169
7.3.4接触发现算法170
7.3.5时间步长确定173
7.3.6算法流程173
7.4离散单元法的主要接触模型174
7.4.1无滑动接触力模型174
7.4.2无滑动滚动摩擦接触力模型176
7.4.3考虑黏结的接触力模型177
7.4.4考虑内聚力的接触力模型177
7.5小结178
参考文献179
第8章颗粒介质全相态模拟的SDPHDEM耦合方法
8.1引言181
8.2浓密颗粒介质数值方法与稀疏颗粒介质数值方法之间算法的转化181
8.2.1由浓密颗粒介质算法向稀疏颗粒介质算法转化的原则183
8.2.2由稀疏颗粒介质算法向浓密颗粒介质算法转化的原则183
8.3浓密颗粒介质算法与稀疏颗粒介质算法之间的相互作用184
8.4稀疏颗粒介质SDPH方法与超稀疏颗粒介质DEM方法耦合185
8.4.1SDPH与DEM之间算法的转化185
8.4.2SDPH粒子与DEM粒子之间作用力传递186
8.5颗粒介质全相态模拟的SDPHDEM耦合方法流程图187
8.6三维水平表面单侧颗粒堆坍塌过程数值验证189
8.7三维倾斜表面单侧颗粒堆坍塌过程数值验证194
8.8三维水平表面圆柱形颗粒堆坍塌过程数值模拟197
8.9小结205
参考文献206
第9章液体颗粒两相流模拟的SPHSDPHDEM耦合方法
9.1引言208
9.2求解双流体模型中连续相的SPH方法209
9.3SPHSDPHDEM耦合框架及算法流程211
9.3.1SPHSDPHDEM耦合框架211
9.3.2SPHSDPHDEM耦合算法流程211
9.4溃坝侵蚀颗粒床层过程数值模拟214
9.5小结216
参考文献216
第10章颗粒介质边界力施加方法
10.1引言218
10.2颗粒介质边界力分解218
10.3基于罚函数的SDPH边界法向力施加方法219
10.3.1基于Galerkin加权余量法的排斥力模型219
10.3.2基于罚函数的非滑移边界施加方法221
10.4基于势函数的SDPH边界法向力施加方法223
10.5基于边界粒子动态生成技术的SDPH边界法向力施加方法224
10.6基于虚粒子方法的SDPH固壁边界法向力施加方法226
10.6.1流体固壁作用方程226
10.6.2虚粒子物理量求解227
10.7颗粒介质的切向边界力施加模型228
10.7.1摩擦模型228
10.7.2Voellmy模型228
10.8小结229
参考文献229
第11章颗粒介质全相态理论及方法在工程中的应用
11.1引言231
11.2在航空航天动力系统中的应用231
11.2.1航空发动机涡轮叶片前缘模型颗粒沉积数值模拟研究231
11.2.2航空发动机燃油雾化问题数值模拟242
11.2.3固体火箭发动机尾喷管受颗粒流侵蚀过程数值模拟247
11.3在工业工程中的应用253
11.3.1磨料射流切割HTPB固体推进剂过程数值模拟253
11.3.2喷动流化床流化过程数值模拟262
11.4在冲击动力学领域内的应用268
11.4.1球形弹丸侵彻土体过程数值模拟271
11.4.2细长体弹丸侵彻土体过程数值模拟276
11.4.325mm子弹侵彻土体弹跳过程数值模拟280
11.5在地质灾害预防领域内的应用284
11.5.1滑槽液固两相流动过程数值模拟285
11.5.2滑槽铲刮过程数值模拟287
11.5.3滑槽模拟堵江溃坝过程数值模拟298
11.5.4高位远程滑坡运动过程数值模拟301
11.6小结304
参考文献305