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.     

用格子Boltzmann方法模拟Belousov-Zhabotinsky反应中的靶型波

构造了用于Belosov-Zhabotinsky反应的格子Boltzmann模型。通过对使用多组分的分布函数满足的格子Boltzmann方程,进行多重尺度Knudsen数展开,得到了模型的平衡态分布函数的各向同性解。作为算例,给出随机初始条件下反应区域内的靶型波的模拟结果,再现了Belousov-Zhabotinsky反应的经典结果。     

基于格子Boltzmann方法的挤出胀大的数值模拟

将单相格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)引入到粘弹流体的瞬态挤出胀大的数值模拟中,建立了基于双分布函数的自由面粘弹性流动格子Boltzmann模型.分析得到的流道中流动速度分布和构型张量结果与理论解十分吻合.对粘弹流体瞬态挤出胀大过程进行了模拟,并分析了运动粘度比和剪切速率对挤出胀大率的影响,得到的胀大率结果与理论分析和其它模拟结果基本一致.表明给出的LBM可以捕捉挤出胀大的瞬态效应.     

用格子Boltzmann方程模拟浅水波问题

提出了用格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程（ＬＢＥ）模拟浅水波问题的方法．通过无粘气体运动方程与浅水波方程的比较,确定了ＬＢＥ方法中平衡态的形式,使宏观方程与浅水波方程一致．计算了二维浅水波的一个问题,数值结果与精确解做了比较．     

并列圆柱绕流的格子Boltzmann数值模拟

采用非均匀不可压格子Boltzmann模型对低雷诺数下并列圆柱绕流进行了数值模拟,给出了数值计算结果,分析了间距g对圆柱尾流及升力、阻力的影响,并在此基础上得到了4种尾迹模式.此外,研究了流场的初始扰动对流动分岔现象的影响,发现在适当的扰动下可以很快得到同步同相的尾流.对Re=160和200下圆柱的升、阻力进行了对比,结果表明升力和阻力受间距g的影响大于雷诺数.     

梯度润湿表面上液滴定向迁移及合并行为的格子Boltzmann模拟

采用改进的格子Boltzmann方法,对梯度润湿性表面上液滴的定向迁移及合并行为进行了数值模拟,该模型在精度和稳定性上都有很大改善,同时,研究了梯度润湿性表面上液滴定向迁移和合并的动力学特性,并对液滴尺寸及润湿梯度对液滴动力学特性的影响规律进行了分析。数值结果表明,液滴在梯度润湿性表面运动时会发生形变,且动态接触角逐渐减小。润湿梯度对液滴定向迁移行为有显著影响,润湿梯度越大,液滴左右侧接触线位移越大,润湿长度增加越快。但是液滴尺寸对接触线位移影响较小。润湿梯度对液桥宽度基本无影响,但对液滴初始合并时间有显著影响。     

悬浮颗粒运动的格子Boltzmann数值模拟

将固体颗粒的牛顿力学和格子Boltzmann方法相结合,研究不规则形状悬浮颗粒在流场中的运动。通过受力分析,精确求得其所受合力、合力矩、合力作用中心等。提出了跟随颗粒运动的动网格计算域技术和模拟悬浮颗粒转动运动的局部数组方法及Euler-Lagrange两套坐标技术。通过对椭圆颗粒运动的数值模拟和对照他人对矩形颗粒的研究,分析了其复杂运动规律,并提供了合理的物理解释。结果表明:运用格子Boltzmann方法和上述特殊技术可以得到与有限元方法相同的模拟精度,且具有计算速度快、对复杂形状边界处理方便灵活、程序简单及特别适合大规模并行计算等优点。     

基于REV尺度格子Boltzmann方法的页岩气流动数值模拟

结合页岩扫描电镜图像,提出页岩气藏物理模型,采用表征单元体积（representative elementaryvolume, REV） 尺度格子Boltzmann 方法,考虑滑脱效应,模拟页岩气在页岩气藏中的流动. 模拟结果表明,页岩气主要沿着天然裂缝窜进,但在有机质和无机质中也存在缓慢的流动,且有机质中的流速要略大于无机质中的流速. 通过改变地层压力,研究地层压力对页岩气渗流特性的影响. 研究结果表明,整个流场的速度和渗透率均随着地层压力的下降而增加.     

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.     

基于格子Boltzmann方法的电流变液动力学建模及数值模拟

电流变悬浮液内部结构对外电场的快速响应发生在指定的控制空间中,在这一特指的时间和空间尺度上电流变悬浮液的物理行为特征主要为剪切速率低和流动阻尼大,即Mach和Reynolds数一般不大,可以视为微尺度流动来加以研究。针对这一流动特征,基于介观动理论的格子Boltzmann方法,建立了电流变悬浮液两相流动的离散颗粒运动模型,通过该模型进行了动力学模拟,结果表明,该模型解决了分子动力学模型难以描述的因颗粒运动造成局部流场流变特性改变的难题,以及该流场双向耦合过程中对颗粒运动的影响。     

流向振荡圆柱绕流的格子Boltzmann方法模拟

用一种新近发展起来的格子Boltzmann方法(LBM)在相对较小的雷诺数(Re le 200)条件下模拟了不可压缩的流向振荡圆柱绕流问题, 考查了涡脱落模态和升阻力特性. 通过模拟, 在近尾流区发现了实验研究中已经发现的对称/反对称的涡脱落模态, 包括有些传统数值方法未发现的模态. 研究了频率锁定区域的范围及其与振幅的关系, 发现振幅越大, 发生锁定的频率区域越宽. 此外还对升阻力进行了定量意义的模拟,研究了振荡频率和振幅与升阻力的关系.      

复杂微通道气体流动的格子Boltzmann模拟

构建了一个模拟复杂微通道内气体流动的多松弛格子Boltzmann模型。该模型采用动力学曲面滑移边界,考虑了微尺度效应和努森层影响。此外,为了更准确地描述微通道内气体的滑移速度,在模型中引入孔隙局部Kn数来代替平均Kn数。之后采用Poiseuille流对模型进行验证,模拟结果与用直接模拟蒙特卡洛方法和分子模拟结果吻合较好,证明了该模型模拟微通道内处于滑移区和过渡区气体流动的有效性。最后,采用该模型模拟多孔介质内气体渗流过程。结果表明,随着孔隙平均Kn数的增加,多孔介质内的高渗区域增加,且优先从小孔隙中开始增加,这是由于小孔隙中微尺度效应更加明显,相对大孔隙流动阻力更小所致。     

次谐波对混合层中拟序涡合并过程影响的数值研究

本文用拟谱方法对混合层二涡、三涡的合并规律进行了数值研究,分析了基波和次谐波之间相位差对涡合并过程的影响,并对此进行了解释.计算结果表明:二涡合并有配对和撕裂两种形式,且涡的完全通过撕裂合并的现象仅在相位差为π/2时出现;三涡合并有三种形式.通过计算可见,通过施加多级次谐波并改变它们之间的相位差可以主动控制拟序涡的发展和演变.     

混合层中的流向涡与Rayleigh离心不稳定

用有限差分方法求解三维Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和连续性方程,对时间发展的平面混合层中流向涡的产生原因进行了分析．将Ｒａｙｌｅｉｇｈ的轴对称无粘离心不稳定理论推广应用于分析混合层的二维基本流,并导出一无量纲量Ｒａｙ＝－（ｒ／νθ）νθ／ｒ,其中νθ为一流体质点相对于平均速度的速度,ｒ为该质点迹线的曲率半径．当Ｒａｙ＞１．０时就会发生离心不稳定．采用这一判别式后发现混合层中展向涡的周围,尤其是在辫带区,的确存在离心不稳定区域,而过去的实验结果也表明三维不稳定产生于展向涡之间的辫带区．因此有理由认为,除非雷诺数特别小,离心不稳定是流向涡产生和发展的主要原因     

LB方法应用实例——水电站水锤计算

建立了模拟水电站水锤的一维ＬＢ模型．通过实例计算与特征线法进行了比较,结果表明ＬＢ方法效果很好,将之引入水电站流场模拟是可行的,值得进一步探讨．     

Numerical simulation of particle sedimentation in 3D rectangular channel

The 3D lattice Boltzmann method is used to simulate particle sedimentation in a rectangular channel. The results of single particle sedimentation indicate that the last position of the particle is along the center line of the channel regardless of the initial position, the particle diameter, and the particle Reynolds number. The wall effect on the terminal velocity is in good agreement with experimental results quantitatively. The drafting, kissing, and tumbling (DKT) process is reproduced and analyzed by simulating two-particle cluster sedimentation. The effects of the diameter ratio, initial position, and wall on the DKT process are investigated. When the two particles have equal diameter sediment in the rectangular channel, a periodical DKT process and the spiraling trajectory are found. The last equilibrium configuration is obtained from the simulation results. The interesting regular sedimentation phenomena are found when 49 particles fall down under gravity.