致密多孔介质中气体渗流的格子Boltzmann模拟

为了能用格子Boltzmann方法来正确地刻画致密多孔介质中微尺度流动问题,对单通道模型进行推广,并将其应用于孔隙群里气体渗流的数值模拟.通过对部分具有代表性的多孔介质中的实际流动问题进行模拟,研究渗透率与平均压力和Knudsen数之间的相互关系.基于理论分析及相关文献中的试验结果,验证模拟结果,为用格子Boltzmann方法深入研究气体渗流问题奠定基础.     

三维方腔温盐双扩散的格子Boltzmann方法数值模拟

研究了温盐双扩散系统的多组分格子Boltzmann方法.通过对二维方腔的温盐双扩散系统的数值模拟，检验了方法的可行性及有效性，所得到的结果与差分法结果符合良好，继而将此方法推广到三维，建立了三维温盐双扩散系统的格子Boltzmann方法，对三维方腔双扩散问题进行了模拟和分析，并与差分法模拟的结果进行了比较，结果令人满意.最后，分析了格子Boltzmann方法在模拟双扩散对流问题时存在的局限性. 关键词： 格子Boltzmann方法 温盐双扩散 Boussinesq近似 数值模拟     

基于几何重建的气液两相流孔隙尺度模拟

本文基于二维micro CT扫描图像进行数值重构得到三维多孔介质几何模型,采用Shan-Chen多相格子Boltzmann方法(LBM)建立适用不规则几何边界区域内气液两相流动数值模型,在此基础上对复杂多孔介质内的两相流动过程进行孔隙尺度模拟。结果表明,气-液两相流动受限于多孔介质的复杂孔隙结构,气液表面张力、壁面润湿特性以及进出口压差对两相流动特性将产生明显影响。     

多孔介质中流体流动及扩散的耦合格子Boltzmann模型

多孔介质中高Péclet数和大黏性比下混溶流体的流动和扩散广泛存在于二氧化碳驱油、化工生产等工业过程中.用数值方法对该问题进行研究时,关键在于如何正确描述高Péclet数和大黏性比下多孔介质内流体的行为.为此,提出了一种基于多松弛模型和格子动理模型的耦合格子Boltzmann模型.通过Chapman-Enskog分析,证明该模型能有效求解不可压Navier-Stokes方程和对流扩散方程.数值结果表明,该模型不仅具有二阶精度和良好的稳健性,而且对于高Péclet数和大黏性比的问题具有良好的数值稳定性,为模拟此类问题提供了有效工具.     

生物过滤器中非均匀性流动的数值研究

生物过滤技术因其具有有效性、低成本和环境友好等优点引起了人们的广泛关注.该技术主要通过生物过滤器去除含有H2S等废气的有毒有害气体.运用格子Boltzmann方法对三种生物过滤器模型中多孔介质的非均匀性流动进行了数值模拟.数值模拟结果表明,多孔介质的性质和进口流动条件对临界Rayleigh数有显著影响,临界Rayleigh数随着多孔介质的孔隙度和Darcy数的增大而逐渐变小,并随着进口Reynolds数的增大而逐渐变大.所得结果可望为生物过滤器的优化设计提供一个合理的理论依据.     

具有多孔介质覆面层的柱体绕流流场分析

建立多孔结构覆面柱体绕流模型, 采用含Darcy-Brinkman-Forchheimer作用力项的格子Boltzmann方程对覆盖多孔介质层的方柱绕流进行数值模拟, 研究多孔介质对钝体绕流流场特性的影响。结果表明: 相比于不可渗透壁的柱体, 引入合适参数的多孔介质覆面层后可以有效降低其升力脉动幅值, 但阻力有所增加。同时, 较高雷诺数下多孔方柱的数值模拟表明: 多孔介质壁面使得尾迹区域的剪切层相距更远, 降低了尾流处湍动能, 并将雷诺应力的峰值移动到尾迹区域, 抑制了方柱两侧的动量交换, 使动量交换的位置发生在尾迹区域, 继而使得尾迹的涡街更加规则化。     

相变过程的格子Boltzmann方法模拟

应用Shan提出的伪势多相模型替代R-K着色模型,建立一种新的描述气液相变过程的格子Boltzmann理论模型,模拟蒸发(高密度转化为低密度)过程.改进了计算效率,且得到较好的计算结果.同时应用该模型从孔隙尺度模拟了多孔介质中的相变现象,验证了该模型模拟复杂相变问题的可行性.     

三维多孔吸液芯毛细特性孔隙尺度格子Boltzmann模拟

通过改进后的QSGS方法构造了三维复杂多孔吸液芯结构,采用格子Boltzmann方法和GPU并行算法,数值模拟了孔隙尺度下多孔吸液芯毛细抽吸两相传输动态特性,并探讨了表面润湿性和孔隙率对两相界面分布和毛细性能的影响.研究结果表明,对于三维复杂结构多孔吸液芯,毛细抽吸过程中两相界面不规则性、分布不均匀性程度较大,孔尺度效...     

二维卡门涡街的格子Boltzmann仿真

格子气自动机和格子Boltzmann方法的迅速发展提供了一类求解流体力学问题的新的方法。本文中，我们介绍了Boltzmann方法，解决了格子气方法中的缺点，通过选择适当平衡分布及其参数，导出了Navier－Stokers方程，并得到了声速和粘性系数。最后在微机上模拟了在无限长平板流动问题及绕单分离板的流动问题，得到了卡门涡街。结果表该模型有格子气方法及其它的数值方法所没有的优点，计算更精确、更直观、更有效。     

利用多松弛格子Boltzmann方法预测多孔介质的渗透率

多孔介质内的流动问题在工程热物理领域有着重要的研究价值和应用背景。本文利用多松弛格子Boltzmann方法详细预测了两种二维多孔介质中的渗透率。研究结果表明:一方面,多松弛模型可以用来克服由单松弛模型带来的一些不足;另一方面,借助于达西定律,多松弛模型可以准确预测多孔介质的渗透率,并将计算结果与已有文献做了对比。     

气体动理学格式模拟多孔介质流动的可行性

将气体动理学格式（GKS）拓展到模拟多孔介质内的低速渗流,并检验在孔隙尺度上模拟不可压缩低速流动的可行性与有效性.结果表明：GKS具有二阶空间精度,能够较精确地计算多孔介质的渗透率;相比于单松弛格子玻尔兹曼方法,GKS能够精确实现壁面无滑移边界条件,从而正确反映渗透率与黏性无关的特性;对于Berea砂岩切片结构中的复杂流动,模拟结果与实验吻合较好,能较精确地计算渗透率.给出GKS模拟达西渗流的马赫数选取准则,为研究多孔介质流动提供新的工具.     

A Lattice Boltzmann Model for Fluid-Solid Coupling Heat Transfer in Fractal Porous Media

We report a lattice Boltzmann model that can be used to simulate fluid-solid coupling heat transfer in fractal porous media. A numerical simulation is conducted to investigate the temperature evolution under different ratios of thermal conductivity of solid matrix of porous media to that of fluid. The accordance of our simulation results with the solutions from the conventional CFD method indicates the feasibility and the reliability for the developed lattice Boltzmann model to reveal the phenomena and rules of fluid-solid coupling heat transfer in complex porous structures.     

随机多孔介质的蒙特卡罗重构与渗流特性模拟

根据多孔介质微观结构的分形尺度标度特征,采用蒙特卡罗方法分别重构随机多孔介质的微观颗粒和孔隙结构,并基于分形毛管束模型研究多尺度多孔介质的气体渗流特性,建立多孔介质微观结构和宏观渗流特性的定量关系。结果表明：分形蒙特卡罗重构的多孔介质微细结构接近真实介质结构,气体渗流特性的计算结果与格子玻尔兹曼模拟数据较为吻合; 多孔介质气体渗透率随着克努森数的增加而增大,孔隙分形维数对于气体渗流的微尺度效应具有显著影响,而迂曲度分形维数对于表观渗透率和固有渗透率的比值影响可以忽略。提出的分形蒙特卡罗方法具有收敛速度快且计算误差与维数无关的优点,有利于深入理解多尺度多孔介质的渗流机理。     

Lattice Boltzmann method on quadtree grids for simulating fluid flow through porous media: A new automatic algorithm

During the past two decades, the lattice Boltzmann (LB) method has been introduced as a class of computational fluid dynamic methods for fluid flow simulations. In this method, instead of solving the Navier Stocks equation, the Boltzmann equation is solved to simulate the flow of a fluid. This method was originally developed based on uniform grids. However, in order to model complex geometries such as porous media, it can be very slow in comparison with other techniques such as finite differences and finite elements. To eliminate this limitation, a number of studies have aimed to formulate the lattice Boltzmann on the unstructured grids. This paper deals with simulating fluid flow through a synthetic porous medium using the LB method and on the quadtree grid structure. To this end, the LB method was used on nonuniform grids coupled with a technique for image reconstruction which resulted in the quadtree grids for simulation of fluid flow through porous media. Accuracy and efficiency of this algorithm is compared against the conventional LB method based on uniform grids. While the decrease in computational time in the proposed LB method on nonuniform grids is found to be significant regarding the size of the initial and reconstructed images, the same level of accuracy is obtained when compared with the conventional LB method on uniform grids.     

Lattice Boltzmann computational fluid dynamics in three dimensions

The recent development of the lattice gas method and its extension to the lattice Boltzmann method have provided new computational schemes for fluid dynamics. Both methods are fully paralleled and can easily model many different physical problems, including flows with complicated boundary conditions. In this paper, basic principles of a lattice Boltzmann computational method are described and applied to several three-dimensional benchmark problems. In most previous lattice gas and lattice Boltzmann methods, a face-centered-hyper-cubic lattice in four-dimensional space was used to obtain an isotropic stress tensor. To conserve computer memory, we develop a model which requires 14 moving directions instead of the usual 24 directions. Lattice Boltzmann models, describing two-phase fluid flows and magnetohydrodynamics, can be developed based on this simpler 14-directional lattice. Comparisons between three-dimensional spectral code results and results using our method are given for simple periodic geometries. An important property of the lattice Boltzmann method is that simulations for flow in simple and complex geometries have the same speed and efficiency, while all other methods, including the spectral method, are unable to model complicated geometries efficiently.     

一种新的模拟渗流运动的数值方法

根据格子Boltzmann方法及相关理论，建立了一个新的模拟渗流运动的数值模型，所得模型没有在边界上采取相应平均措施，同时还避免了一些非物理副产品的出现-实例计算数值结果与精确解符合较好，证明模型可靠- 关键词： 渗流 格子Boltzmann方法 数值模型