基于格子Boltzmann两相模型的粘弹流体挤出胀大分析

挤出胀大的数值模拟是非牛顿流体研究中具有挑战性的问题．本文运用格子Boltzmann方法(LBM)分析Oldroyd-B和多阶松弛谱PTT粘弹流体的挤出胀大现象，采用颜色模型模拟出口处粘弹流体和空气的两相流动，通过重新标色获得两种流体的界面，并最终获得胀大的形状．Navier-Stokes方程和本构方程的求解采用双分布函数模型．将胀大的结果与解析解、实验解和单相自由面LBM结果进行了比较，发现格子Boltzmann两相模型结果与解析解和实验结果相吻合，相比于单相模型，收敛速度更快，解的稳定性更高．研究了流道尺寸对胀大率的影响，并对挤出胀大的内在机理进行了分析．     

粘弹流体轴对称流动的格子Boltzmann方法

基于BGK碰撞模型，通过在迁移方程中引入作用力项，建立了粘弹流体的轴对称格子Boltzmann模型．通过Chapman-Enskog展开，获得了准确的柱坐标下轴对称宏观流动方程．采用双分布函数对运动方程和本构方程进行迭代求解，模拟分析了粘弹流体管道流动，获得了流场中的速度和构型张量的分布，通过与解析解进行比较，验证了模型的准确性．研究了作为粘弹流体流动基准问题的收敛流动，对涡旋位置进行了定量分析，将回转长度的计算结果与有限体积法进行了比较，两种数值结果十分吻合．研究结果表明，模型能够准确表征粘弹流体的轴对称流动，具有较广阔的应用前景．     

用PSM模型模拟聚合物熔体的长口模挤出胀大

 以作者提出的模拟黏弹流体挤出胀大流动的方法为基础，计算了 IUPAC-LDPE熔体经过长圆形口模的挤出胀大. 计算结果同文献的报道 基本一致，表明作者提出的方法适于黏弹聚合物熔体的挤出胀大模拟.     

颗粒流体系统的格子Boltzmann数值方法研究进展

介绍Euler-Lagrange框架下基于格子Boltzmann方法LBM (Lattice Boltzmann Method)发展的两种不同层次(即不同时-空尺度和精度)的颗粒流体系统离散模拟方法,即格子Boltzmann颗粒解析直接数值模拟(LB-based PR-DNS)方法和格子Boltzmann离散颗粒模拟(LB-based DPS)方法,总结了Euler-Euler框架下基于格子Boltzmann双流体模型(LB-based TFM)方面的探索研究。LB-based PR-DNS方法中颗粒尺寸远大于格子步长,能够直接解析出流体在颗粒表面的流动以及颗粒所受完整的动力学信息;LB-based DPS方法中格子步长远大于颗粒直径,其在计算精度、时间耗费和计算效率之间能达到很好的平衡,可获得流体的宏观平均流动及颗粒的运动轨迹信息。LB-based DNS和DPS是探索颗粒流体系统的有力手段,但LB-based TFM应用于模拟颗粒流体系统仍需进一步探索。     

黏弹流体挤出胀大的数值模拟研究进展

主要介绍了黏弹流体挤出胀大的数值模拟研究进展.给出了黏弹流体挤出胀大的数学模型,回顾了近20多年以来挤出胀大的主要数值模拟研究工作,然后对主要模拟方法的计算过程、方法特点和形成的结果进行了一定的总结.最后提出了作者对挤出胀大研究的一些看法,包括目前研究中存在的问题和相关研究的发展趋势.      

积分型Maxwell流体挤出胀大的数值模拟

应用Luo提出的基于常规有限单元的应力计算方法和范毓润回避奇点的方法,模拟了积分型Maxwell黏弹流体的挤出胀大流动,计算得到了Weissenberg数达1．0下的合理结果。     

用PSM模型模拟聚合物熔体轴对称收缩流动

采用模拟黏弹流体挤出胀大的方法，计算了IUPAC-LDPE熔体经过4：1轴对称收缩流道的流动．计算的相对涡强度、入口校正和献中的结果基本一致，给出的流场也显示出计算结果是合理的．表明该方法能够适用于用积分型PSM模型表征的黏弹流体在收缩流道内的流动模拟．     

黏弹性流体扩展及收缩流动的格子Boltzmann模拟分析

本文应用格子Boltzmann 方法(LBM)并结合Oldroyd-B 模型,讨论了不可压缩的 Navier-Stokes 方程和平流扩散本构方程的解耦及各自求解方法,以及两类问题的边界处理格式,实现了黏弹性流体在二维1:3 扩展流道以及3:1 收缩流道中的流动的数值模拟．获得了不同雷诺数Re 和维森伯格数Wi 以及黏度vs 下流动的流线分布,计算给出了漩涡的涡心位置和大小,并分析了参数Re、Wi 和vs 对流动特点的影响．模拟结果表明本文所采用模型和边界处理方法具有良好的精度和稳定性．     

直角和贴体坐标系下两种格子Boltzmann方法的比较研究

采用格子Boltzmann方法(LBM)和改进的插值格子Boltzmann方法(GILBM)研究了45°斜方腔的顶盖驱动流和Roach通道内的流动特性,并与基准解进行了对比。结果表明,对于45°斜方腔的顶盖驱动流,当雷诺数较小时,两种方法的计算结果与基准解吻合较好;但当雷诺数较大时,采用LBM的计算结果准确性降低,而基于GILBM方法得到的结果准确度升高,且计算稳定性好。对于Roach通道内的流体流动而言,两种方法的计算精度和复杂边界的复杂程度与雷诺数大小有关。根据流场边界形状的复杂程度,网格划分与计算精确度的不同要求,两种方法各有利弊。     

过渡区气体微尺度流动的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法(LBM)对过渡区内的微尺度气体流动进行了模拟研究. 在已有滑移区微流动LBM模型中引入Knudsen层速度修正,选取合适的修正函数表达式并依据动理论确定了可调参数的合理取值. 在边界条件的处理格式上,采用了适合过渡区模拟的高阶滑移边界的替代格式来捕捉过渡区微流动的滑移速度,避免了直接求解高阶速度导数项的数值困难. 通过对两类不同的微流动进行模拟的结果表明:与数值解吻合得较好,尤其是对Kn>0.5微流动滑移速度的预测,与已有LBM的模拟结果相比有明显的提高.      

颗粒在黏弹性流体扩张和收缩流中沉降的格子Boltzmann模拟分析

对于Oldroyd-B型黏弹性流体，本文应用格子Boltzmann方法(LBM)，实现了流体在二维1:3扩张流道及3:1收缩流道中流动的数值模拟，获得了黏弹性流体在扩张和收缩流道中的流场分布．结合颗粒的受力和运动规则，基于点源颗粒模型，数值分析了颗粒在扩张流和收缩流中的沉降过程和特征，讨论了颗粒相对质量和起始位置以及雷诺数Re和威森伯格数Wi对颗粒沉降特征的影响．结果表明，颗粒相对质量和起始位置以及Re对颗粒沉降轨迹和落点影响较大，而Wi的影响则较小．     

基于格子Boltzmann方法的非平衡气动加热算法

提出了一种新的Euler与Boltzmann方程结合的气动加热数值计算方法。该方法首先采用CFD软件中的FLUENT来获取三维复杂外形边界层外缘气动参数,通过可压缩格子Boltzmann方法(LBM)的微观非平衡粒子的流动和碰撞来模拟边界层中气体热流动过程,解决了工程方法和N-S方法的适用范围不足和计算效率低下的问题。在每个LBM的流动与碰撞的过程中通过更新密度分布函数来使得宏观的速度和温度计算得以耦合。同时,对热LBM模型还做了湍流比拟和改进来扩展其应用范围。最后,通过一组高超声速气动加热试验数据证明了该结合方案的正确性和有效性,并讨论了该结合方案较其它常用方法的优缺点。     

不同壁面绕流特性的格子Boltzmann模拟研究

为了探讨不同壁面的绕流特性,针对粘性流场中,不同壁面诱导的涡脱落现象以及升阻力系数等流场特性进行了格子Boltzmann数值研究。利用基于分子动理论的格子Boltzmann方法(LBM)求解Navier-Stokes方程,实现对流体运动的描述,针对不同的壁面条件,分别采用不同的格子Boltzmann流-固壁面处理方法。采用Half-way反弹边界条件来处理平直壁面,而曲壁面则采用LBM与有限差分法相结合的形式进行处理,计入了壁面与标准网格不重合对结果造成的影响。开发相应的计算程序,计算结果与已发表文献结果吻合良好,验证了数值模型的正确性。同时,探讨了进出口边界与钝体中心的距离对结果的影响。对比分析了不同壁面的绕流模型中升阻力系数、斯托罗哈数和涡量云图等,并进一步研究了雷诺数条件的影响。结果表明,不同壁面的绕流特性具有明显差异,且同时受雷诺数的显著影响;一般地,平直壁面对于来流作出的响应更迅速。     

利用格子Boltzmann方法数值模拟Rayleigh-Benard对流

采用格子Boltzmann方法对较大Rayleigh数范围下的二维Rayleigh-Benard对流进行了模拟研究.引入能量分布函数,利用该能量分布函数与粒子速度分布函数耦合来求解一个热流场,能量分布函数与粒子速度分布函数和Boltzmann方程构成了一个新的双分布格子Boltzmann模型.在考虑密度随温度变化的情况下,进行数值模拟,得到了Rayleigh-Benard对流速度、温度随时间的变化规律、系统的流线和等温线分布及平均Nusselt数与Rayleigh数的之间的关系,与相关文献数据进行了对比,模拟结果非常吻合,证明了改进的双分布格子Boltzmann模型的有效性.     

THE RESEARCH PROGRESS OF LATTICE BOLTZMANN METHOD IN NON-NEWTONIAN FLUID FLOW

格子玻尔兹曼方法（lattice Boltzmann method,LBM）能够直接计算局部剪切速率并可以达到二次精度,因此在非牛顿流动数值模拟中展现出一定优势。尽管已证实LBM 对于非牛顿流动的适用性,但是LBM 需要通过即时调节BGK（Bhatnagar-Gross-Krook）碰撞项中的松弛时间来实时反映黏度改变,当松弛时间接近1/2 时,迭代会出现数值不稳定现象。该文对LBM 在非牛顿流体研究中的进展进行了总结,介绍了增加数值稳定性的方法并对结果的精度进行了比较,在此基础上对LBM 在非牛顿研究中的进一步发展进行了展望。     

基于热格子Boltzmann方法的自然对流数值模拟

对Eggels和Somers提出的热格子Boltzmann格式进行了改进. 在不可压缩流动的假设下,提出了一种新的温度平衡分布函数,可以克服压缩性对温度统计的影响,并且相应地修正了统计宏观温度的方法. Eggels和Somers的方法对速度和温度均采用半步长反弹格式边界条件,适合无滑移的速度边界条件.但是对温度采用该边界条件在物理本质上显得不够准确,所以在边界上对二者统一采取算法既简单又容易实现的非平衡态外推格式,同时可以与Boltzmann格式的整体二阶精度保持一致. 最后,利用改进的热格子Boltzmann方法(TLBM)模拟了Ra=10^6和Pr=0.71(空气)的方腔中的自然对流,模拟得到的流动参数与其它数值方法的结果吻合得很好,表明改进的热格子Boltzmann方法可以有效准确地模拟非等温流动.      

FVM与LBM分区耦合模拟圆柱绕流

构造了用于模拟远场边界下圆柱绕流的有限容积法(FVM)与格子Boltzmann方法(LBM)的分区耦合模型.模型中,靠近圆柱处采用多块网格的LBM,远离圆柱处采用FVM,并将计算结果同适体网格LBM以及多块网格LBM进行了比较.结果表明,耦合模型能在保证计算精度的前提下,显著提高计算效率.     

格子玻尔兹曼方法概述：详尽的历史性文献及待探讨的理论问题

本文给出了详尽的格子玻尔兹曼方法的概述：包含其理论基础、起源、基本思想及主要特征，历史进展、重要的综述、著名书刊、应用及可用计算机代码，从而为从事有关研究的学生与研究人员提供了丰富的参考文献． 通过文献检索阅读， 揭示了以下有待探讨的理论问题： (a) 麦克斯韦-玻尔兹曼分布(Maxwell-Boltzmann distribution)的建立只涉及稀薄气体的压力内能，但未考虑粘性应力的内能；(b) 三个守恒律无法从玻尔兹曼方程直接导出，必须借助外加的小参数展开完成，同时在守恒方程中无法引入外力及能源的贡献；(c) Lattice Boltzmann Method (LBM)执行中，只更新流体的物质密度和平均速度，不更新其内能参数．由于在复杂流动中，流体的内能是时间及空间的函数，因此其理论是不完整的．以上揭示的理论问题是现有LBM方法 不能有效地求解涉及高速及大压缩性引起内能剧烈变化的复杂流场的原因．作者给出一篇理论研究文章以回答揭示的理论问题．     

用格子Boltzmann模型模拟Lotka-Volterra系统

用格子Boltzmann方法模拟了Lotka-Voltcrra系统的动力学行为．通过使用多尺度技术,我们得到了扩散反应系统。以及零扩散的反应系统。从而得到常微分方程系统，这个理论结果表明该格子Boltzmann模型包含了Lotka-Volterra系统的非线性行为，数值结果表明附加的人为扰动可以改变某些初始分布。     

格子Boltzmann方法模拟多孔介质惯性流的边界条件改进

格子Boltzmann方法可以有效地模拟水动力学问题,边界处理方法的选择对于可靠的模拟计算至关重要.本文基于多松弛时间格子Boltzmann模型开展了不同边界条件下,周期对称性结构和不规则结构中流体流动模拟,阐述了不同边界条件的精度和适用范围. 此外,引入一种混合式边界处理方法来模拟多孔介质惯性流, 结果表明:对于周期性对称结构流动模拟,体力格式边界条件和压力边界处理方法是等效的,两者都能精确地捕捉流体流动特点; 而对于非周期性不规则结构,两种边界处理方法并不等价,体力格式边界条件只适用于周期性结构;由于广义化周期性边界条件忽略了垂直主流方向上流体与固体格点的碰撞作用,同样不适合处理不规则模型;体力-压力混合式边界格式能够用来模拟周期性或非周期性结构流体流动,在模拟多孔介质流体惯性流时,比压力边界条件有更大的应用优势,可以获得更大的雷诺数且能保证计算的准确性.