不可压界面流动SPH方法及其在液滴斜撞击湿固体壁面过程中的应用研究

The oblique impacts of drop onto wet wall play important roles in our daily life and industrial applications. The involved fluid flows are extremely complex. And the related phenomenon is still far from being full understood. Recently, the SPH methods have been applied to the numerical investigations of drop impacts onto solid and liquid surfaces. However, the current interfacial SPH method is not so stable and has not enough resolutions on the interface. The interfacial SPH method needs to be improved in the future. According to the characters of the oblique impacts of drop onto wet wall, the current project would like to further develop the SPH method for incompressible interfacial flow. The unstable problem of the current SPH method resulting from the pressure oscillation will be removed. The higher resolutions on the interface will be achieved by use of adaptive method. The developed SPH method will be used to investigate the the oblique impacts of drop onto wet wall numerically. Combined with the theoretical analysis and theory of hydrodynamic stability, the oblique impacts will be investigated thoroughly. The theory describing the motion of the crown will be presented. And the splashing condition will be established. Through the current research, the SPH method will be improved and substantial progress in our knowledge of drop-surface interaction will be achieved. It will offer deep insight for us to understand drop-impact-related phenomena in our daily life and industrial applications.

液滴斜撞击湿固体壁面过程在实际生活和工业中具有重要的应用价值，其涉及的流动问题非常复杂，相关机理仍需深入研究。近几年SPH方法已经被应用于液滴撞击表面问题的数值模拟研究。但现有的界面流动SPH算法仍存在算法不够稳定和界面分辨率不高等问题，需要进一步完善。 本项目将针对液滴斜撞击湿固体壁面过程的物理特征，进一步发展不可压界面流动SPH算法，消除压力振荡引起的算法不稳定问题，并通过自适应算法提高界面分辨率；将发展的数值算法应用于液滴斜撞击湿固体壁面过程的研究，结合理论分析和流体稳定性理论，对斜撞击过程的复杂流动机理进行深入研究，提出描述皇冠运动行为的物理模型和溅射临界条件。 这些成果将有助于SPH数值方法的发展，并加深人们对液滴撞击表面过程的认识，为工业应用和实际生活中的相关问题提供理论指导。

针对多相界面流动问题，发展了适用于SPH的界面处理方法。包括陡峭界面方法和耗散界面方法。研制了SPH并行程序，发展了相应的界面处理模块。对液滴撞击液膜过程进行了三维大规模数值模拟。对液滴撞击液膜过程和液滴碰撞过程进行了数值模拟研究。. 陡峭界面方法利用水平集函数捕捉界面，同时利用虚拟流体方法处理界面跳跃条件。该陡峭界面方法可以精确计算界面几何信息，计算得到的界面曲率可以达到二阶精度；可以精确处理界面跳跃条件，表面张力作为面力包含在压力跳跃条件中。陡峭界面方法使得界面附近的流体计算更加稳定和高效。. 耗散界面方法主要用于处理自由流动问题。利用水平集函数捕捉界面，界面位于零水平集的位置。表面张力的处理利用连续表面力模型。表面张力由面力转换成体力，包含在动量方程的源项中。. 研制了SPH并行程序。对液滴撞击液膜过程进行了三维大规模数值模拟。在6600个cpu核上，用约2千3百万个SPH粒子模拟了三维液滴撞击液膜过程。连续运行了12天。SPH并行程序成为界面流动问题数值模拟研究的重要工具。. 对液滴撞击液膜过程和液滴碰撞过程进行了二维数值模拟研究。研究了不同液膜厚度和不同撞击速度对液体底部半径随时间变化关系的影响。还研究了不同撞击角度对液滴撞击液膜过程的影响。对液滴正碰撞和偏心碰撞过程进行了数值模拟研究。