凝固前沿和气泡相互作用的大密度比格子玻尔兹曼方法模拟

建立了二维双组分两相流的大密度比格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM)模型. 该模型基于改进的Shan-Chen伪势多相流LBM模型, 结合采用不同时间步长的方法, 实现密度比达800以上的气液两相流模拟. 为了对模型进行验证, 模拟了在不同气液相互作用系数和密度比条件下气泡内外压力差与其半径之间的关系, 其结果满足Laplace定律. 将所建立的大密度比LBM与介观尺度的元胞自动机(cellular automaton, CA)和有限差分法(FDM)相耦合, 用LBM模拟气液两相流, 用CA方法模拟固相生长, 用有限差分法模拟温度场, 采用LBM-CA-FDM耦合模型对定向凝固过程中凝固前沿的气泡与液-固界面之间的相互作用进行模拟研究. 结果表明, 绝热气泡的存在影响了温度场分布, 使得凝固前沿接近气泡时, 液-固界面凸起, 在不同的固相生长速度条件下, 出现凝固前沿淹没气泡或气泡脱离凝固前沿的不同情况, 模拟结果与实验结果符合良好. 关键词： 格子玻尔兹曼方法 元胞自动机 凝固 气泡     

二维平板通道中流动与传热的格子-Boltzmann模拟

格子-Boltzmann数值模拟方法(LBM),在最近十几年来得到迅速发展。本文发展了LBM的流动与传热模型,并对二维平板通道中的流动与传热进行了模拟,采用密度分布函数得到速度场,用单独的内能分布函数得到温度场,并与传统FVM方法所得到的多个特征量结果进行了比较,模拟结果与FVM解均吻合很好。鉴于LBM边界条件处理简单和易于实施等特点,该方法可望成为求解流动与传热的一种有效数值模拟手段。     

过渡区微尺度流动的有效黏性多松弛系数格子Boltzmann模拟

为提高采用二维九速离散速度模型的格子Boltzmann方法 (LBM)模拟微尺度流动中非线性现象的精度和效率,引入Dongari等提出的有效平均分子自由程对黏性进行修正(Dongari N,Zhang Y H,Reese J M2011 J.Fluids Eng.133 071101);并针对以往研究微尺度流动时采用边界处理格式含有离散误差的问题,采用多松弛系数格子Boltzmann方法结合二阶滑移边界条件,对微尺度Couette流动和周期性Poiseuille流动进行模拟,并将速度分布以及质量流量等模拟结果与直接模拟蒙特卡罗方法模拟数据、线性Boltzmann方程的数值解以及现有的LBM模型模拟结果进行对比.结果表明,相对于现有的LBM模型,引入新的修正函数所建立的有效黏性多松弛系数LBM模型有效提高了LBM模拟过渡区的微尺度流动中的非线性现象的能力.     

相同尺度下气泡与复杂壁面的耦合特性研究

采用格子Boltzmann方法(LBM)建立了气液固三相耦合的动力学模型,研究了相同尺度下上浮气泡与复杂壁面的相互耦合作用.首先,基于黏性流体理论,通过构建一组格子Boltzmann(LB)方程来描述气液两相的运动,并以LB离散体积力的形式计入了黏性力、表面张力和重力.同时,采用LBM中的Half-way反弹模型与有限差分格式相结合的方式进行固壁边界的处理.然后,利用本文建立的模型,对不同特征尺寸比条件下,气泡与考虑边缘效应的平面固壁和曲面固壁的耦合特性进行了研究.研究发现固壁边界条件以及特征尺寸比对气泡的运动和拓扑结构的变化都具有明显的非线性影响.最后,研究了流体属性对气泡与复杂壁面耦合规律的影响.     

不同精度格式的格子Boltzmann热模型的传热分析

通过在格子Boltzmann (LBM)热模型中添加参数项,使得在对应的宏观传热方程中,消除了一阶非线性误差项,具备二阶精度.通过Rayleigh-Benard对流数值试算,初步探索该二阶精度格式及其对应的一阶精度格式三个热模型的传热特征和适应性,并做出相应对比分析.针对一二阶精度模型在Ra数极高或热传导系数极大时,Nu数的计算与经验值相比出现较大偏差,分析LBM对应宏观热传导方程的截断误差后,在平衡分布函数中引进一个调节因子.通过调节对应宏观传热方程的截断误差项系数,校正Nu数的计算偏差,提高模拟精度,拓展模拟范围,增强了LBM作为一个数值方法在传热中的适应性.     

超燃冲压发动机等截面隔离段中流动的LBM模拟

采用耦合的双分布函数格子Boltzmann方法模拟超燃冲压发动机中隔离段的流动.计算结果反映了隔离段内流场的基本结构,表明LBM在隔离段的模拟中是-种具有潜力的数值计算方法.     

一维空间Riesz分数阶对流扩散方程的格子Boltzmann方法

建立格子Boltzmann方法（LBM）的D1Q3演化模型,研究一类Riesz空间分数阶对流扩散方程的数值求解问题。对分数阶微积分算子中的积分项离散化处理,得到逼近的标准对流扩散方程。结合Taylor展式和Chapman-Enskog多尺度展开技术得到模型的各个方向上的平衡态分布函数,通过D1Q3演化模型正确恢复所要求解的宏观方程。数值算例验证该方法的有效性。     

重离子碰撞中的多重碎裂研究

把量子分子动力学模型(QMD)与重构模型耦合,我们称之为改进的QMD(IQMD),研究了重构与非重构情形的差异.用改进了的QMD模型研究了状态方程、动量相关势和介质效应对多重碎裂动力学过程的影响,以及这种影响随入射能量的依赖关系.     

适用于中等耦合等离子体的碰撞算子

完全电离等离子体中，当试探粒子分布函数f_α是关于试探粒子速度v_α的偶函数时，导出了一个新的动力学方程的碰撞算子.该碰撞算子同时包括了大角散射(库仑近碰撞)和小角散射(库仑远碰撞)的二体碰撞的贡献,因此，该碰撞算子同时适用于弱耦合(库仑对数lnΛ≥10)和中等耦合(库仑对数2≤lnΛ≤10)等离子体.而且经过修改的碰撞算子和Rosenbluth势有直接的联系，当试探粒子和场粒子满足条件m_αm_β(如电子-离子碰撞或Lor 关键词： 中等耦合等离子体 小角散射 大角散射 碰撞算子     

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。     

格子玻尔兹曼方法模拟弯流道中粒子的惯性迁移行为

本文发展了一个能够模拟微流场环境下粒子惯性迁移行为的三维耦合模型.该模型采用基于动理论的格子玻尔兹曼方法(LBM)描述流体流动,采用牛顿动力学模型描述粒子的平动和转动,采用基于LBM反弹格式的运动边界法实现流体与粒子模型的耦合.模拟了重力作用下粒子的沉降过程和Couette流条件下粒子的转动过程,通过将模拟结果与文献中的基准解进行对比定量验证了模型的可靠性.模拟了不同大小的球形粒子在环形流道中的迁移,成功复现了经典的流道截面二次流形成过程,分析了粒径大小对粒子在流道中平衡位置的影响机理.结果表明,粒子在弯流道中的平衡位置与粒径大小密切相关,小半径粒子的平衡位置靠近流道外侧而大半径粒子则靠近流道内侧.通过实验对模拟结果进行了定性验证.本模型为深入研究微流场环境下粒子的运动特性以及开发微流控粒子分选器件提供了参考依据.     

基于不可压LBM的汽液两相流数值研究

本文利用格子Boltzmann方法(LBM)研究汽液分离过程与相界面的表面张力,在不可压单相LBM模型与Kupershtokh伪势模型基础上,通过引入Carnahan-Starling状态方程构建了一种单组份汽液两相LBM模型并开发了相应程序。本文采用周期性边界条件,模拟了汽液两相在不同初始密度下的分离过程,得到了两相完全分离的结果。此外,本文模拟了单个液滴从非平衡态到平衡态的演化过程,通过Laplace定律计算平衡态液滴表面张力与液滴半径、温度的关系,结果表明,LBM能较好地计算汽液两相流中的界面动力学问题;利用单组份汽液两相LBM模型与Laplace定律进行计算,结果表明液滴表面张力随温度升高而下降,该结论与实际流体表面张力与温度的关系定性上一致。这进一步验证了本文提出的单组份汽液两相LBM模型的有效性。     

强制对流和自然对流作用下枝晶生长的数值模拟

建立了一个基于格子玻尔兹曼方法 （LBM） 的二维模型,对强制对流和自然对流作用下合金凝固过程中的枝晶生长行为进行了模拟研究. 与传统的基于求解Navier-Stokes方程计算流场的方法不同,本模型采用基于分子动理论的LBM对凝固过程中的传输现象进行数值计算. 用三组粒子分布函数分别建立了计算流场、由对流和扩散所控制的浓度场和温度场的LBM演化方程. 通过求解LBM演化方程获得固/液界面前沿的浓度和温度分布. 然后,基于溶质平衡方法计算了枝晶生长的驱动力. 为了对模型进行验证,将模拟在强制和自然对流作用下枝晶上游尖端的稳态生长特征分别与Oseen-Ivantsov 解析解和修正的Lipton-Glicksman-Kurz 模型预测结果进行了比较, 模拟结果和理论预测结果符合良好. 模拟结果还表明,对流使热量和溶质从上游传输到下游,从而加速了枝晶在上游方向的生长,而抑制了下游方向的生长,形成了非对称的枝晶形貌. 关键词： 微观组织模拟 枝晶生长 对流 格子玻尔兹曼方法     

基于LBM的多孔陶瓷有效热导率和相变传热分析

多孔氮化铝陶瓷具有高导热、耐熔盐腐蚀等优点在相变材料封装方面具有较大应用前景。本文采用微米计算机断层扫描(CT)得多孔氮化铝的灰度图像,并精准重构三维孔隙结构。并采用四参数随机生长、堆积颗粒、维诺结构等数值方法建立结构模型。基于介观尺度的格子玻尔兹曼方法 (LBM),计算了多孔陶瓷的有效热导率,结果表明维诺结构与CT真实重构的热导率接近。采用三维焓法LBM模拟了多孔骨架内的相变传热过程,获得了孔隙尺度对流相变的传热机理,并分析了不同孔隙率时的储热密度和复合材料的有效热导率。基于CT扫描和LBM的相变传热模拟有助于快速分析骨架的热特性,为多孔骨架的设计提供理论基础。     

格子玻尔兹曼方法对不同张角聚焦声束的建模

高强度聚焦超声(HIFU)是一种新型的无创治疗肿瘤新技术,其中换能器声场数值计算能够为HIFU治疗提供重要的依据。传统非线性KZK和SBE模型广泛应用于换能器声场数值计算,但依然存在某些不足。我们采用一种介观尺度的新型流体力学方法,即格子Boltzmann方法(LBM),基于2维9离散速度(D2Q9)格子构建了轴对称多弛豫参数LBM模型,并通过调节弛豫参数分析其对模型的影响;利用该模型对两个具有不同张角的球面聚焦换能器的声场进行数值模拟,并与KZK和SBE模型的计算结果进行比较。结果表明LBM模型能够很好地描述超声波的激发和传播机制,从流体力学的角度描述聚焦声场的分布,具有清晰的物理意义,且计算过程不受换能器张角的限制,在换能器声场的理论分析和模拟计算及其在HIFU治疗中的应用有着积极的意义。      

基于靶面温度测量的激光强度时空分布重构方法

基于靶面温度分布测量反演激光强度时空分布的重构表达式中,被积函数包含的奇异阿贝尔核函数导致了求解积分表达式的病态和解的不稳定。为了解决这一积分求解问题,基于广义函数理论和正则变换方法,对积分函数进行了重新构造,获得了基于靶面温度时空分布测量反演入射激光强度分布的重构算法,并分析了重构结果对温度测量误差的敏感性。借助数值模拟方法对重构算法进行了验证,数值计算给出了重构强度误差与靶板厚度和辐照时间的关系。验证结果表明,两种背光面边界条件下反演获得的激光束时空分布,不仅与原始模型激光束达到了较好的一致,而且不受薄板条件的限制。算法对强激光辐照效应的靶面激光参量监测有实用性。     

不同模式耦合下偏振模色散几率分布的研究

研究了偏振模色散的统计特性,在不同模式耦合条件下,应用蒙特-卡罗方法模拟偏振模色散矢量的几率分布,并对模拟结果进行了函数拟合。发现随着耦合次数增加差分群时延的几率分布从一个类似δ函数分布逐渐过渡到麦克斯韦分布;在一定的耦合下,几率分布可以呈现高斯分布。对偏振模矢量的两个方向余弦进行统计分析,发现随着耦合次数的增加,偏振模矢量两个方向余弦函数的分布从高斯分布和δ函数分布都变为均匀分布。     

光电子技术与器件 光电成像与器件

TN386.5 2006043423光锥与CCD耦合系统中基于算子融合的自动对焦方法=Auto-focusing method based on operator fusion in systemfor coupling optical-taper with CCD[刊,中]/张宏建(中科院西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,信息光子学研究室.陕西,西安(710068)) ,田维坚…∥光子学报.—2006 ,35(4) .—635-637提出了一种基于自动对焦方法的光锥与CCD耦合系统,并采用算子融合技术,给出了一种新的基于空域分析的像质评价函数。经实验证明,该方法既有效地提高了算法的可靠性,又实现了较高的对焦准确度,较好地解决了在耦合过…     

LiCoO_2电池正极微结构模拟退火重构及传输物性预测

采用实验或数值方法对多孔复合电极微结构进行重构和特征化不仅是锂离子电池介观尺度数值模型的重要组成部分,也是通过数值技术由底向上进行电极微结构虚拟设计与优化的基础.本文以某商用LiCoO2电池正极的孔隙率、电极组成材料的组分体积分数、活性材料颗粒粒径分布、相关函数等重要结构与统计信息作为输入参数,采用模拟退火法对其微结构进行了数值重建,得到了明确区分活性材料、固体添加物以及孔相(电解液)的微结构,其重要特性参数与实际电极一致.对重构电极的特征化分析,得到了电极内部各组分的连通性、孔径分布等特征信息.同时,采用D3Q15格子Boltzmann模型计算了重构电极的有效热导率以及电解液(或固相)的有效传输系数.与随机行走模拟或Bruggemann等经验公式相比,基于实际电极微结构细节信息的介观数值方法对多孔电极有效传输系数的预测更为准确可靠.     

基于变分方法的有限区域风场分解与重构I: 理论框架和仿真实验

众所周知, 风场分解与重构最有效的方法就是引入速度势和流函数, 其一般通过求解两个Poisson 方程得到. 由于速度势和流函数在边界上的耦合性质,有限区域风场分解是不唯一的, 这对风场分解带来了很大困难. 本文采用变分伴随结合正则化方法来克服风场分解的不唯一性, 其核心是把速度势和流函数的边值作为控制变量来反演. 目标泛函由两部分组成, 一是衡量重构风场误差大小的观测项; 二是保证风场分解问题适定的正则化项, 其目的在于寻求具有气象意义的稳定正则化解. 数值试验结果表明, 在正确选取正则化参数后, 利用变分伴随结合正则化方法进行有限区域风场分解与重构是有效可行的.