粒子在锥形管中运动的晶格玻尔兹曼方法研究

运用晶格玻尔兹曼方法对单个悬浮粒子在锥形管中的运动进行了数值计算, 给出了锥形管流体的速度分布和压力分布等. 粒子所受的流体作用力分别用动量交换法、改进的动量交换法和压力张量积分法进行计算. 分析了在不同初始位置释放的粒子的运动轨迹和速度变化情况, 结果表明压力张量积分法和改进的动量交换法的计算结果一致, 而没有改进的动量交换法的计算结果和前两者略有不同. 关键词： 晶格玻尔兹曼方法 锥形管 悬浮粒子 改进的动量交换法     

麦克斯韦-玻尔兹曼分布在易辛模型中的应用

麦克斯韦-玻尔兹曼分布给出了系统在任一微观状态下的玻尔兹曼概率,从而可以计算系统中宏观观测量的统计平均值.但在实际计算中,由于系统可能微观状态数随系统晶格格点数增大而指数增大,往往无法进行计算.本文以易辛模型为例,介绍了如何从玻尔兹曼概率的角度研究系统可能微观状态的演化过程,从而可以只考虑高概率的微观状态.使用该方法,研究了二维易辛模型的平均每自旋的基态能量和平均每自旋的磁化率随温度的变化关系.     

基于速度源修正的浸入边界-晶格玻尔兹曼法研究仿生微流体驱动模型

浸入边界—晶格波尔兹曼法在流固耦合等复杂的流体系统中得到广泛的应用.本文采用基于速度源修正的浸入边界—晶格玻尔兹曼法,建立了仿生微流体驱动模型,创新性地将波动弹性体的速度引入晶格玻尔兹曼方程,避免了传统浸入边界—晶格玻尔兹曼法中浸入边界速度-结构变形-力之间的转换,提高了计算效率和准确率.研究了行波波动细丝对流场内流动速度和压力的影响,重点分析了驱动模型各项参数对微流体的驱动效果.研究结果表明:细丝长度、频率、振幅的增加引起出口处流量的增加;波长、流体粘滞系数以及细丝位置与出口处流量呈复杂的非线性关系.     

固体氩的晶格热导率的非简谐晶格动力学计算

用一种非简谐晶格动力学方法, 使用相互作用势作为惟一的输入参数, 准确地计算了固体氩的各个声子的频率和弛豫时间. 并将这些结果进一步和玻尔兹曼输运方程相结合, 预测了固体氩从10 K 到80 K 区间的热导率, 并得到了与实验值非常符合的结果. 分析了运用非简谐晶格动力学方法进行数值计算过程中的各个相关的计算参数, 包括布里渊区中倒格子矢量的选取, δ 函数的展宽的选择等对热导率和声子弛豫时间预测结果的影响. 通过对各个声子模式对热导率贡献的分析, 发现随着温度升高, 高频声子对于热导率的贡献率也逐渐变大, 结果和理论预测完全一致. 关键词： 热导率 固体氩 非简谐晶格动力学 声子     

用晶格玻尔兹曼方法研究螺旋波的产生机制和演化行为

采用五速正方晶格玻尔兹曼模型，由晶格玻尔兹曼方程推导得到了反应扩散方程.分析了Selkov反应扩散系统螺旋波的形成机制.零流边界条件下计算机数值模拟螺旋波的形成和破碎过程，发现Selkov反应扩散系统的失稳属于Doppler失稳.改变参数模拟系统的演化行为，发现不同的参数下系统可能到达三种不同的状态：均匀定态、混沌状态和螺旋波. 关键词： 晶格玻尔兹曼方法 螺旋波 计算机模拟     

Mo2C二维材料晶格热导率的第一性原理研究

Mo₂C是构建Mxene基器件的重要材料之一,对Mo₂C二维材料声子输运的理解非常必要.文章结合第一性原理方法和声子玻尔兹曼输运方程,研究了二维Mo₂C材料的晶格热导率.研究表明,室温下二维Mo₂C导热系数非常低,其锯齿方向和扶手椅方向的晶格热导率分别为7.20和5.04 W/mK.计算了声学振动和光学振动模式对晶格热导率的贡献,揭示总热导率主要由面内声学横波的振动模式所贡献.还进一步计算了声子群速度、声子弛豫时间、三声子散射空间和模式格林艾森参数,发现二维Mo₂C中的声子群速度和声子弛豫时间对晶格传输有重要的影响.     

基于总能形式的耦合的双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法

双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法在微尺度热流动系统中得到广泛的应用. 本文基于晶格玻尔兹曼平衡分布函数低阶Hermite展开式, 创新性地提出了包含黏性热耗散和压缩功的耦合的双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法, 将能量场内温度的变化以动量源的形式引入晶格波尔兹曼动量演化方程, 实现了能量场与动量场之间的耦合. 研究了考虑黏性热耗散和压缩功的和不考虑的两种热自然对流模型, 重点分析了不同瑞利数和普朗特数下流场内的流动情况以及温度、速度和平均努赛尔数的变化趋势. 本文实验结果与文献结果一致, 验证了本文数值方法的可行性和准确性. 研究结果表明: 随着瑞利数和普朗特数的增大, 方腔内对流传热作用逐渐增强, 边界处形成明显的边界层; 考虑黏性热耗散和压缩功的模型对流作用相对增强, 黏性热耗散和压缩功对自然对流的影响在微尺度流动过程中不能忽略.     

中性汞原子磁光阱装载率的优化

量子投影噪声是影响光晶格钟的一个重要参数,提高磁光阱中装载率有利于降低量子投影噪声,可提升光晶格钟的性能.针对实验所用的汞原子单腔磁光阱,本文分析并计算了磁光阱中汞原子受力情况和一维运动规律,在此基础上用随机数方法对磁光阱中汞原子三维装载进行了数值计算,获得了磁光阱中的稳态原子数,研究了磁光阱的冷却激光的光强、失谐量以及磁场梯度等参数对稳态原子数的影响,得出了获得最优装载率的实验参数.涉及的计算方法和结论对汞原子光晶格钟的实验设计具有参考价值.     

子波谱方法在三维声辐射和声散射中的应用

将边界变量用二维子波展开,获得了三维任意边界条件声辐射和声散射的边界积分方程的子波谱方法.采用以子波为权函数的Gauss积分法计算子波谱方法的系数,获得了与传统边界元法相同的计算量,克服了普通积分法计算子波系数计算量大甚至难以收敛的缺点;采用Duffy的方法解决了子波谱方法中的奇异积分,使其能够用普通的Gauss积分法计算.算例表明:子波谱方法系数矩阵压缩率超过50%以后,计算精度仍然高于传统边界元方法.     

两个非磁性颗粒在磁流体中的沉降现象研究

在磁场作用下,在磁流体里添加非磁性颗粒(non-magnetic particles,NPs),可以使得NPs形成不同的结构,操控NPs的运动从而影响磁流体的特性,这种应用逐渐受到了研究者的关注.为了更好地操控磁流体里NPs的运动,本文采用一种多物理模型研究在外加磁场作用下,磁流体中两个NPs沉降的运动过程.其中,用格子玻尔兹曼方法模拟磁流体的运动,外加磁场对磁流体的影响用一种自修正方法求解泊松方程,这个自修正方法可以使欧姆定律满足守恒定律.NPs之间的偶极干扰力采用偶极力模型,同时采用一种相对过渡平滑的共轭边界条件处理NPs与磁流体交界面的流固干扰以避免磁场密度过渡的突变.本文主要探究两个NPs在磁流体中的沉降,揭示磁场作用下NPs的相互干扰原理;同时,对控制NPs运动时的参数进行调节,得到NPs不同的运动轨迹,达到操控颗粒运动的目的.本研究可对NPs在磁流体中的应用提供定量的分析结果,对NPs在工业上的应用提供有力的理论支撑.     

驻波声场中圆柱形管道周围颗粒的运动特性

针对圆柱形管道外部的流体与颗粒介质运动问题,提出了结合圆柱周围声辐射力和声流Stokes力的研究方法。从柱体外部声流方程出发,得到影响涡流结构的无量纲参数Rem≥325.27时,外涡最大流速大于内涡最大流速。在此基础上,采用Nyborg的边界滑移速度理论,获得管道外部声流的极限滑移速度,推导得出圆柱附近的声辐射力公式。基于此公式,在理论上推导出颗粒速度为0、声辐射力和声流Stokes力平衡时,颗粒临界直径的表达式。通过对圆柱位于不同位置时,圆柱外部的颗粒运动进行仿真模拟,得到与理论公式相一致的结论:颗粒的临界直径的大小与声波频率有关,当颗粒直径小于临界直径时,声流Stokes力为主导,颗粒随声流运动,颗粒直径大于等于临界直径时,声辐射力为主导,颗粒在声辐射力作用下逐渐向声辐射力的节点聚集。理论与仿真结果表明该方法可用于分析管道外颗粒的分布状态,其研究结果有助于解决电站中换热器的管道结垢、热交换率降低等问题。     

双颗粒在溶解条件下沉降的多相流动特性

对牛顿流体内溶解双颗粒在垂直管道中的沉降运动进行了直接数值模拟. 流体运动由守恒方程计算, 密度和黏性的变化考虑流场温度变化的影响, 通过积分粘性应力和压力获得颗粒的受力跟踪颗粒运动, 溶解引起的相变及其形状的变化由溶解潜热、溶解质量与分散相边界处的温度梯度的关系建立的方程决定. 通过颗粒和流体间相互的作用力和力矩及边界条件的施加实现相间耦合. 对双颗粒在等温流体无溶解条件和非等温流体溶解条件下的沉降过程进行了计算. 结果表明, 在一定雷诺数内, 热对流产生的颗粒尾迹处涡的脱落以及溶解引起的颗粒质量、颗粒表面形态的变化引起了颗粒的横向摆动, 并使颗粒沉降速度发生了变化.     

Deformation of Two-Dimensional Nonuniform-Membrane Red Blood Cells Simulated by a Lattice

To study two-dimensional red blood cells deforming in a shear flow with the membrane nonuniform on the rigidity and mass, the membrane is discretized into equilength segments. The fluid inside and outside the red blood cell is simulated by the D2Q9 lattice Boltzmann model and the hydrodynamic forces exerted on the membrane from the inner and outer of the red blood cell are calculated by a stress-integration method. Through the global deviation from the curvature of uniform-membrane, we find that when the membrane is nonuniform on the rigidity, the deviation first decreases with the time increases and implies that the terminal profile of the red blood cell is static. To a red blood cell with the mass nonuniform on the membrane, the deviation becomes more large, and the mass distribution affects the profile of the two sides of the flattened red blood cell in a shear flow.     

An Effective Method on Two-Dimensional Lattice Boltzmann Simulations with Moving Boundaries

We propose a lattice Boltzmann scheme for two-dimensional complex boundaries moving in fluid flow. The hydrodynamic forces exerting on the moving boundaries are calculated based on a stress-integration method proposed before, but the extrapolation procedure is avoided, and the stability of this model is improved. The accuracy and robustness are demonstrated by numerical simulations of a circular particle settling in a twodimensional vertical channel. The numerical convergence is studied by varying the time-step and the dimensionless particle sizes.     

Dynamics of two-phase swirling flow in a vortex chamber with a lower end swirler

The Particle Image Velocimetry (PIV) technique and laser Doppler anemometer (LDA) were used to measure the components of tangential and axial velocities of gas and particles in a vortex chamber with a fluidized bed, particle layer dynamics was estimated qualitatively, and the flow in the vortex chamber with a centrifugal fluidized bed of solid particles was simulated numerically. It is shown that with the growth of gas velocity in the swirler slots, the rotation velocity of bed grows almost linearly, and with an increasing bed mass, the rotation velocity decreases. Data on distributions of the volume fraction of particles and gas flow velocity inside the bed were obtained by numerical calculation.     

有限平板绕流的数值模拟

本文用涡团法模拟了有限平板的绕流问题,计算出一个长度为1的无穷薄平板在静止的流体中突然起动并作匀速运动的周围流场的变化情况。方法上,用保角变换解决了在涡团法中遇到的一个拉普拉斯方程,并对变换中的奇点作了特殊处理,最后得到一个与已有的实验结果完全吻合的周期性数值解。     

溶解与热对流对固体颗粒运动影响的直接数值模拟

对牛顿流体内溶解与热对流对单颗粒在垂直管道中的沉降运动进行了直接数值模拟.流体运动由守恒方程计算,密度和黏性的变化考虑流场温度变化的影响,通过积分黏性应力和压力获得颗粒的受力跟踪颗粒运动,溶解引起的相变及其形状的变化由溶解潜热、溶解质量与分散相边界处的温度梯度的关系建立的方程决定.通过颗粒和流体间相互的作用力和力矩及边界条件的施加实现相间耦合.分别模拟了颗粒在等温流体、热流体、冷流体及颗粒溶解四种情况下的沉降过程.结果表明,在一定雷诺数内,热对流产生的颗粒尾迹处涡的脱落以及溶解引起的颗粒表面形态的变化引起了颗粒的横向摆动,并使颗粒沉降速度发生了变化. 关键词： 溶解 热对流 颗粒两相流 直接数值模拟     

圆柱体出水运动的自由面效应及水冢现象分析

以圆柱体为例,研究自由面附近刚性物体的受力状态,分析垂直运动圆柱体出水时的自由面效应以及水冢现象.建立基于势流理论考虑自由面效应的数学模型,并用边界元方法求解该模型.求解过程中考虑非线性自由面运动学以及动力学边界条件.通过求解控制方程以及边界条件,模拟恒速刚性圆柱体出水时的水冢现象及其穿越水冢过程.通过数值解和实验值的比较验证方法的可靠性.分析结构出水时的压力变化、自由液面变形、圆柱体所受的垂向合外力以及流场速度矢量的变化,并展开讨论.结果表明:考虑自由面效应的非线性方法能够更准确地预报自由面附近刚性运动物体的受力特性.     

Vortex shedding process investigation downstream a surface-mounted block

The laminar flow around a surface-mounted block is investigated by visualizations and PIV measurements. Flow topology and, especially, the vortex shedding dynamics are emphasized. The existence of two vortex shedding processes is highlighted by particles visualizations and instantaneous velocity fields analyses. On one hand, a dominant swirling mechanism with vortex matching process and a symmetrical topology sets up and, on the other hand, a non periodical evolution with a dissymmetric topology exist. In order to inquire about those processes, double velocity correlation functions are calculated and from those new data the space and time evolutions of the vortices are detailed.     

Magnetohydrodynamic Electroosmotic Flow with Patterned Charged Surface and Modulated Wettability in a Parallel Plate Microchannel*

This paper investigates the magnetohydrodynamic (MHD) electroosmotic flow (EOF) of Newtonian fluid through a zeta potential modulated parallel plate microchannel with patterned hydrodynamic slippage. The driven mechanism of the flow originates from the Lorentz force generated by the interaction of externally imposed lateral electric field $E_y$ and vertical magnetic field $B_z$ and electric field force produced by an externally applied electric field $E_x$. It is assumed that the wall zeta potential and the slip length are periodic functions of axial coordinate $x$, an analytical solution of the stream function is achieved by utilizing the method of separation of variables and perturbation expansion. The pictures of streamlines are plotted and the vortex configurations produced in flow field due to patterned wall potential and hydrodynamic slippage are discussed. Based on the stream function, the velocity field and volume flow rate are obtained, which are greatly depend on some dimensionless parameters, such as slip length $l_s$, electrokinetic width $\lambda$, the amplitude $\delta$ of the patterned slip length, the amplitude $m$ of the modulated zeta potential and Hartmann number $Ha$. The variations of velocity and volume flow rate with these dimensionless parameters are discussed in details. These theoretical results may provide some guidance effectively operating micropump in practical nanofluidic applications.