微通道中气体流动的格子Boltzmann数值模拟

采用可压缩格子Boltzmann模型及非平衡外推边界条件,数值模拟微通道中的气体在滑移区域(Kn≤0.1)内的流动,计算结果包括出口速度剖面、通道中心压力分布以及质量流率等,与理论结果及其他实验结果符合得很好.还模拟了180°弯曲通道中的气体流动.结果表明,滑移速度的存在抑制了边界层的分离,因此在弯曲处不存在漩涡.计算结果还表明,弯道的存在显著影响了气体的质量流率.     

一种滑移区气体流动的格子Boltzmann曲边界处理新格式

针对滑移区复杂气-固边界存在速度滑移现象,提出了一种基于格子Boltzmann方法的非平衡态外推与有限差分相结合的曲边界处理新格式.该格式具有可考虑实际物理边界与网格线偏移量的优势,较传统half-way DBB(diffusive bounce-back)格式更能准确反映实际边界情况,同时还可获取壁面处气体宏观量及其法向梯度等信息.采用本文所提曲边界处理格式模拟分析了滑移区气体平直/倾斜微通道Poiseuille流、微圆柱绕流和同心微圆柱面旋转Couette流问题.研究结果表明,采用曲边界处理新格式所得结果与理论值以及文献结果符合良好,适用于滑移区气体流动的复杂边界处理,且比half-way DBB格式具有更高的精度,较修正DBB格式具有更好的适应性.     

格子Boltzmann方法模拟微尺度流动和传热

本文采用格子Boltzmann方法(LBM)对微尺度Couette流的流动及传热进行了模拟.为了获得壁面边界的速度滑移和温度阶跃,在含有粘性热耗散的热格子模型的基础上,提出了一种新的直接基于宏观量的边界处理格式.模拟得到的速度场和温度分布与解析解吻合得相当好,充分说明了本文采用的模型和边界处理的合理性同时在模拟中还发现:对于不同的Kn数,均存在使得其上壁面的温度阶跃为零的临界Ec数,并且其临界值均在3.0附近.     

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.     

多孔介质内交变流动与换热的格子Boltzmann研究

针对制约脉冲管制冷机效率提高的蓄冷器内交变流动与换热问题,本文使用格子Boltzmann方法计算并分析了多孔介质内交变流动与换热特性。结果表明,交变流动压力波振幅对速度与压力和温度间的相位差的影响很小;通道界面处速度与压力的相位差在某一孔隙率下有一极小值;多孔介质内最大阻力系数与雷诺数的关系可以为设计蓄冷器时填料结构的...     

复杂微通道内非混相驱替过程的格子Boltzmann方法

本文采用改进的基于伪势模型的格子Boltzmann方法研究复杂微通道内的非混相驱替问题.这种方法克服了原始伪势模型中计算结果对网格步长的依赖.首先用Laplace定律验证模型的正确性,然后用该方法研究壁面润湿性、粗糙结构、黏性比以及距离对非混相驱替过程的影响.模拟结果表明:与壁面粗糙结构和黏性比相比,壁面润湿性的影响是决定性的因素.随着接触角的增加,驱替效率增加,当接触角大于某一值后,驱替效率不再变化;随着黏性比的增加,驱替效率增加;而壁面粗糙性对驱替过程的影响较复杂,只有凸起半圆的半径在一定范围内增加时,驱替效率增加;距离较小时将促进驱替过程.     

疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系,在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动,获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律,证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理.结果表明,疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层,而表观滑移则发生在低密度层上.表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因,减阻效果随滑移长度的增大而增大.对于特定的流体系统,滑移长度是疏水表面的固有属性,仅是壁面润湿性的单一函数,而与流动本身的性质无关.     

磁流体流动与传热的格子Boltzmann模拟

考虑外加磁场下磁流体中纳米磁性粒子所受的各种作用力,建立了用于模拟磁流体流动与传热特性的两相格子Boltzmann模型,模拟了外加不同方向梯度磁场下平板间磁流体的流动与传热过程,计算了磁流体与平板间对流换热的Nusselt数,分析了磁场梯度方向、大小对Nusselt数的影响．     

微通道内气体流动的DSMC方法

基于压力边界条件开展了微尺度低速流动DSMC方法的研究, 定义了两个无量纲参数作为微尺度DSMC方法下网格尺寸与时间步长的约束条件, 通过微尺度Poiseuille流进行了方法的验证与比较, 获得了网格尺寸与时间步长的一般原则。在此基础上, 对变截面的单孔和双孔模型的微通道气体流动进行DSMC模拟, 结果表明, 通道几何形状对微尺度气体流动具有显著影响, 孔口后由于通道收缩, 产生压降, 导致气流加速, 并在孔口下游拐角处发生分离; 双孔口模型的流动结构与单孔口模型相似, 且在相同压差情况下, 经双孔口后的气体流速低于经单孔口后的气体流速; 随着入口压力的增加, 经过孔口压缩后的速度越大, 分离区尺寸也越大。      

微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究

将高精度的二氧化碳状态方程与气液两相流格子Boltzmann方法中的伪势模型耦合,研究微通道内二氧化碳气液两相流动的界面动力学行为,包括二氧化碳气泡和液滴的分裂、合并、变形,以及气液两相二氧化碳在演化过程中的质量交换.研究发现：当分裂和合并行为达到平衡,并且两相之间不发生质量交换时流动达到稳态.稳态时的流型主要依赖于表面张力,惯性力,管道的润湿性,以及初始体积分数.当表面张力较大时,微通道内形成的二氧化碳气泡或液滴会收缩成圆形,此时二氧化碳气泡或液滴会堵塞微通道,形成段塞流;随着表面张力的减小,形成的气泡或液滴不容易收缩,在微通道内更容易发生变形,出现泡状流或环状流.当壁面润湿性为强疏水性时,二氧化碳在微通道中的流动为环状流,其它润湿性下,流型为段塞流.体积分数较小时,二氧化碳两相流动的流型为段塞流,体积分数较大时,流型为环状流.     

方腔内微细颗粒物运动特性的格子Boltzmann方法模拟

对Masselot and Chopard提出的模拟气固两相流动的格子Boltzmann-格子气(LBE-LGA)方法进行推广,能够反映两相间拖曳作用.利用该方法研究封闭方腔内的气固两相流运动特性,分析斯托克斯数St和模拟颗粒数目对颗粒群运动的影响,并与文献结果进行比较,表明LBE-LGA方法模拟颗粒运动是可行的.     

基于格子Boltzmann方法的多孔介质流动模拟GPU加速

利用NVIDIA CUDA平台,在GPU上结合稀疏存贮算法实现基于格子Boltzmann方法的孔隙尺度多孔介质流动模拟加速,测试该算法相对基本算法的性能.比较该算法在不同GPU上使用LBGK和MRT两种碰撞模型及单、双精度计算时的性能差异.测试结果表明在GPU环境下采用稀疏存贮算法相对基本算法能大幅提高计算速度并节省显存,相对于串行CPU程序加速比达到两个量级.使用较新构架的GPU时,MRT和LBGK碰撞模型在单、双浮点数精度下计算速度相同.而在较上一代的GPU上,计算精度对MRT碰撞模型计算速度影响较大.     

Simulation of Cardiac Flow under the Septal Defect Based on Lattice Boltzmann Method

In this paper, the lattice Boltzmann method was used to simulate the cardiac flow in children with aseptal defect. The inner wall model of the heart was reconstructed from 210 computed tomography scans. By simulating and comparing the cardiac flow field, the pressure field, the blood oxygen content, and the distribution of entropy generation before and after an operation, the effects of septal defect on pulmonary hypertension(PH), cyanosis, and heart load were analyzed in detail. It is found that the atrial septal defect(ASD) of the child we analyzed had a great influence on the blood oxygen content in the pulmonary artery, which leads to lower efficiency of oxygen binding in the lungs and increases the burden on the heart. At the same time, it also significantly enhanced the entropy generation rate of the cardiac flow, which also leads to a higher heart load. However, the main cause of PH is not ASD, but ventricular septal defect (VSD). Meanwhile, it significantly reduced the blood oxygen content in the brachiocephalic trunk, but rarely affects the blood oxygen contents in the downstream left common carotid artery, left subclavian artery, and descending aorta are not significantly affected by VSD. It causes severe cyanosis on the face and lips.     

Lattice Boltzmann Simulation of One Particle Migrating in a Pulsating Flow in Microvessel

A lattice Boltzmann model of two dimensions is used to simulate the movement of a single rigid particle suspended in a pulsating flow in micro vessel.
The particle is as big as a red blood cell, and the micro vessel is four times as wide as the diameter of the particle. It is found that Segré-Silberberg effect will not respond to the pulsation of the flow when the Reynolds number is relatively high. However, when the Reynolds number is low enough, Segré-Silberberg effect disappears. In the steady flow, different initial position leads to different equilibrium positions. In a pulsating flow, different frequencies of pulsation also cause different equilibrium positions. Particularly, when the frequency of pulsation is closed to the human heart rate, Segré-Silberberg effect presents again. The evolutions of velocity, rotation, and trajectory of the particle are investigated to find the dynamics of such abnormal phenomenon.     

用Lattice Boltzmann方法模拟1/4圆腔内的定常层流运动

分析格子Boltzmann方法中二阶精度的曲线边界处理方法.应用格子Boltzmann方法及其边界处理方法模拟1/4圆腔内的定常层流运动,引入流线图和等涡线图分析流场随Re数的变化.并且发现当Re数在10~100区间内变化时,随着Re数的增大,顺时针旋转流场的涡心位置偏离x轴的角度逐渐减小,而逆时针旋转流场的涡心位置偏离x轴的角度却越来越大.     

两相方腔流的格子Boltzmann模拟

利用基于Shan-Chen多相模型的格子Boltzmann方法对方腔内上板拖动的两相流动问题开展较为系统的数值模拟,详细研究雷诺数(Re),毛细数(Ca)和壁面润湿性对流动以及混合特性的影响.结果表明:Re数、Ca数越大,方腔内两相流体的混合界面长度越大,混合效果越好.另外,壁面憎水程度越高,混合界面长度增加越快,然而对于强亲水壁面,混合界面长度最终趋于一常数.     

Finite-Difference Lattice Boltzmann Scheme for High-Speed Compressible Flow: Two-Dimensional Case

Lattice Boltzmann (LB) modeling of high-speed compressible flows has long been attempted by various authors. One common weakness of most of previous models is the instability problem when the Mach number of the flow is large. In this paper we present a finite-difference LB model, which works for flows with flexible ratios of specific heats and a wide range of Mach number, from $0$ to 30 or higher. Besides the discrete-velocity-model by Watari [Physica A 382 (2007) 502], a modified Lax--Wendroff finite difference scheme and an artificial viscosity are introduced. The combination of the finite-difference scheme and the adding of artificial viscosity must find a balance of numerical stability versus accuracy. The proposed model is validated by recovering results of some well-known benchmark tests: shock tubes and shock reflections. The new model may be used to track shock waves and/or to study the non-equilibrium procedure in the transition between the regular and Mach reflections of shock waves, etc.     

用晶格玻尔兹曼方法研究颗粒在涡流中的运动

用晶格玻尔兹曼方法研究小颗粒在涡流中的运动.涡流由流经空腔的流体产生.用动量交换法和压力张量积分法计算颗粒在涡流中的运动轨迹、速度和角速度.最后用张量积分法计算两个不同半径的颗粒在涡流中的运动. 关键词： 晶格玻尔兹曼方法 涡流 颗粒