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.      

基于隐式扩散的直接力格式浸没边界格子Boltzmann方法

采用浸没边界格子Boltzmann (immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)模型执行动边界绕流数值模拟时,信息交互界面和边界力计算格式直接影响流动求解器的数值精度和计算效率.基于隐式扩散界面,一种改进的直接力格式IB-LB模型被提出.边界力表达式基于欧拉/拉格朗日变量同一性准则推导,转换矩阵描述的信息交互界面耦合了拉格朗日节点间的非同步运动.采用Richardson迭代数值求解关联边界力与无滑移速度约束的线性方程组,不仅克服了传统速度修正格式中矩阵求逆引起的计算效率问题,而且摆脱了算法稳定性对拉格朗日点分布的依赖.根据解析解已知的Taylor-Green涡流评估本文模型的数值模拟精度,结果表明改进的IB模型能够完整保留背景LB模型的二阶数值精度.静止圆柱和振荡圆柱绕流数值实验结果表明,当前模型在涉及复杂外形和运动界面的流动模拟中能够提供可靠的数值预测,满足力同一性的IB-LB模型能够有效抑制非定常流体力的伪物理震荡.波动翼型绕流模拟验证了当前模型的实用性,可在大变形柔性体流固耦合动力学问题中进一步推广.     

COMPARISON OF ACCURACY AND PERFORMANCE FOR LATTICE BOLTZMANN AND FINITE DIFFERENCE SIMULATIONS OF STEADY VISCOUS FLOW

The lattice Boltzmann method (LBM) is used to simulate flow in an infinite periodic array of octagonal cylinders. Results are compared with those obtained by a finite difference (FD) simulation solved in terms of streamfunction and vorticity using an alternating direction implicit scheme. Computed velocity profiles are compared along lines common to both the lattice Boltzmann and finite difference grids. Along all such slices, both streamwise and transverse velocity predictions agree to within 0ċ5% of the average streamwise velocity. The local shear on the surface of the cylinders also compares well, with the only deviations occurring in the vicinity of the corners of the cylinders, where the slope of the shear is discontinuous. When a constant dimensionless relaxation time is maintained, LBM exhibits the same convergence behaviour as the FD algorithm, with the time step increasing as the square of the grid size. By adjusting the relaxation time such that a constant Mach number is achieved, the time step of LBM varies linearly with the grid size. The efficiency of LBM on the CM-5 parallel computer at the National Center for Supercomputing Applications (NCSA) is evaluated by examining each part of the algorithm. Overall, a speed of 13ċ9 GFLOPS is obtained using 512 processors for a domain size of 2176×2176.     

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．     

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．     

基于波尔兹曼方法研究幂律流体的椭圆柱绕流

基于格子波尔兹曼方法(lattice Boltzmann method) 和幂律流体本构方程, 建立二维流动模型, 将充分发展的速度分布与理论解进行对比, 吻合良好. 对幂律流体的圆柱绕流进行模拟, 采用了反弹格式的无滑移圆柱边界, 并使用应力积分法计算阻力系数, 分析了稳态圆柱绕流时, 阻力系数随幂律指数n 以及雷诺数Re 的变化规律. 分析了椭圆横轴/纵轴长度比和幂律指数n, 对压力系数Cp 和黏度系数Cv 的影响. 得到的变化规律与有限元方法规律一致, 验证了格子波尔兹曼模型的可行性.     

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.      

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.      

基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟研究中的应用

对格子Boltzmann方法的本质及Shan-Chen模型的核心机制进行了全面阐述, 并从应用实例角度对基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的有效性、适应性进行了详细分析. 结果表明, Shan-Chen模型易于耦合微观条件下占主导作用的微观力, 拓宽了格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的应用. 同时, Shan-Chen模型在润湿性边界条件表征方面的优势, 使得这种方法在微结构表面的滑移效应模拟方面具有很好的应用前景.     

非牛顿流体流动的格子Boltzmann方法研究进展

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。     

单组分多相系统驱替过程的格子Boltzmann模拟

结合格子Boltzmann方法中的Shan-Chen单组分多相模型,引入流体相间的内聚力和流体与固体壁面间的黏附力,对二维孔隙网格中非浸润气相驱替完全浸润液相的过程进行模拟,流体相间的交界面自然形成,整个驱替过程属于毛细指进. 随着毛细数的增加,黏性力的主导作用增强,使得气相入侵的孔隙尺度减小,因此驱替形态随毛细数的不同有很大差别. 在微重力的作用下,整个驱替过程受毛细力、重力和黏性力的共同作用,重力起到了稳定交界面避免窜流的作用.     

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.      

Lattice Boltzmann方法应用实例--一维溃坝波模拟

通过分析Ｌａｔｔｉｃｅ Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ（ＬＢ）方法的多尺度方程和一维浅水波方程,建立了计算一有渠非恒定流的ＬＢ模型,对一维溃坝波动这一典型应用实例进行了模拟分析,结果与Ｐｒｅｉｓｓｍａｎｎ隐格式及解析解十分一致,说明将ＬＢ方法引入实际的一维明渠非恒定流计算是可行的。     

THE NUMERICAL STUDY OF LATTICE BOLTZMANN METHOD BASED ON DIFFERENT GRID STRUCTURE

传统的格子波尔兹曼方法(lattice-Boltzmann method, LBM)通常基于标准均匀网格, 这主要取决于速度的空 间离散格式.均匀网格结构的特点, 使LBM在处理具有复杂边界的问题时遇到较大的困难, 从而限制了它的应用.另外, 对于较为复杂的流动, 其流场存在流动变化剧烈和平缓的区域, 在流动变化剧烈的区域, 往往需要足够的网格点才能更好地捕捉到流场信息, 而均匀网格会使得网格数量过多, 这会增加计算量, 但网格数量过少又无法获得必要的流场信息, 使LBM的计算效率降低.为了解决上述问题, 用不同的网格结构, 以顶盖驱动的腔体内流、柱体绕流和翼型绕流为例, 探讨了提高LBM算法的计算效率和适用性问题.     

横向振荡圆柱绕流的格子Boltzmann方法模拟

基于格子Boltzmann方法(LBM)对不可压横向振荡圆柱绕流问题进行了数值研究. 与传统的求解宏观的N-S方程的数值方法不同, LBM求解此类问题不需要采用动网格, 而且不需要对网格进行特殊处理, 从而节约了计算成本. 结果显示, 当振荡频率增加到相应的静止圆柱绕流的自然涡脱落频率附近时, 圆柱后最新形成的集中涡距离柱体越来越近, 直到达到一个极限位置. 随后, 集中涡突然转向圆柱体另一侧脱落. 当振荡频率接近于静止圆柱的自然涡脱落频率时, 发生频率同步的现象. 随着振荡频率远离自然涡脱落频率, 同步现象消失. 在几种次谐振荡和超谐振荡下, 尾流区的涡脱落频率仍为相应的静止圆柱绕流的自然涡脱落频率.      

建筑物周围流场格子Boltzmann仿真

基于格子BGK方程的三维15点格子Boltz-mann模型,对建筑物周围流场进行了数值仿真,对其流场的划分进行了分析,并对不同雷诺数下建筑物周围的流场进行了数值模拟计算,得到了比较满意的结果,为环境质量的评估提供了新的途径.     

一种模拟气液两相流的格子波尔兹曼改进模型

基于格子波尔兹曼自由能模型,提出了一种模拟黏性流场中大密度比气液两相流的改进模型. 为了提高模型的精度,在原始模型的基础上计入了邻近点间粒子数密度的传递速率控制,考虑了碰撞项的差分松弛;为了避免两相间大密度比造成的数值不稳定问题,分别采用六点和九点差分格式求解?和?2. 同时,与传统格子波尔兹曼方法不同,实现了由单步碰撞操作到两步操作的转化. 通过对无重力场中气泡的模拟及与已有模型的计算结果的对比分析,表明该模型具有更高的数值精度. 成功模拟了重力作用下,单个上浮气泡的形变和尾涡形成过程,以及水平和竖直方向上两个气泡的相互作用过程,并验证了其质量守恒和体积不可压缩性.      

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.     

AN ARTIFICIAL BOUNDARY CONDITION FOR TWO-DIMENSIONAL INCOMPRESSIBLE VISCOUS FLOWS USING THE METHOD OF LINES

We design an artificial boundary condition for the steady incompressible Navier–Stokes equations in streamfunction–vorticity formulation in a flat channel with slip boundary conditions on the wall. The new boundary condition is derived from the Oseen equations and the method of lines. A numerical experiment for the non-linear Navier–Stokes equations is presented. The artificial boundary condition is compared with Dirichlet and Neumann boundary conditions for the flow past a rectangular cylinder in a flat channel. The numerical results show that our boundary condition is more accurate.