表征体元尺度渗流的离散统一动理学格式

结合表征体元尺度的通用渗流模型,提出离散统一动理学格式（DUGKS）渗流方法,分别用均匀网格和非均匀网格计算二维Poiseuille、Couette、方腔流等经典渗流问题,检验DUGKS渗流方法的有效性和非均匀网格应用的优势,将DUGKS渗流方法应用到裂缝系统中.     

精细平衡气体动理学格式

流体系统在重力作用下,流体压力可与重力相平衡,达到静力平衡状态.常规的有限差分和有限体积方法无法在离散尺度上保持这种平衡态,常常产生虚假速度等非物理现象.通过将重力源项的体积分改写为网格界面值的加权平均,实现离散条件下压力与重力的精细平衡,得到一种Navier-Stokes （NS）方程的精细平衡气体动理学格式.该格式可以在机器精度上精确地保持等温条件下的静力平衡态以及捕捉平衡态附近的小扰动传播.同时,该格式还能求解自然界中更常见的非等温平衡态.此类平衡态除了要求静力平衡还要求热流平衡.利用提出的格式求解NS方程,可以得到静止（机器精度下的零速度）的非等温平衡态,并且密度和温度分布都具有二阶精度.通过多个算例验证格式的有效性,表明该格式可更好地模拟重力场下的温度、密度的分层流动.     

统一气体动理学方法研究进展

在临近空间高超声速飞行器气动载荷、航天飞行器变轨/调姿、微尺度元器件传质/传热等科学和工程实践中，存在着大量的时序多流域（多尺度）流动问题以及位于单一流场中的复杂多流域问题（局部稀薄问题），对数值预测工作提出挑战.因此，近年来从介观气体动理学基础上发展出了一大类将连续流与稀薄流进行统一计算的高效数值方法，包括确定论形式的UGKS，GKUA和DUGKS方法，以及粒子形式的USP-BGK和UGKWP方法.文章围绕着确定论和统计粒子两类统一方法的最新研究进展进行回顾和分析，重点关注在每种方法中全流域统一性质的来源与实现方式、目前已取得的关键进展以及该方法的扩展性和应用价值.      

离散统一气体动理学格式稳态辐射输运应用

工程应用中的介质热辐射问题是典型的多尺度问题. 基于Boltzmann输运方程建立的各类气体动理学格式, 在多尺度瞬态问题中得到了广泛应用. 为了克服显式求解方案中CFL条件等的限制, 文章通过气体动理学格式实现稳态辐射输运方程的直接求解. SDUGKS格式由离散统一气体动理学格式(discrete unified gas kinetic scheme, DUGKS)的核心思想发展而来, 应用于稳态问题计算. 将SDUGKS格式进一步拓展到多尺度的稳态热辐射输运计算. SDUGKS格式继承了DUGKS格式沿特征线离散实现的界面重构, 并通过隐式增量格式的单元更新实现对辐射强度的较正, 采用逐次迭代法将辐射强度渐近收敛到稳定值. 选用多组一维和二维不同尺度的辐射传热算例, 通过与特定的解析解以及其他数值方法结果对比, 检验了SDUGKS的计算精度和计算效率, 并论证了它在多尺度问题中的渐进保持性质.      

确定多孔介质流动参数的格子Boltzmann方法

本文采用D2Q9不可压缩Lattice-Boltzmann模型模拟了多孔介质中的流场,该模型从介观层次上描述了多孔介质孔隙中的流动特性,验证了Darcy定律,给出了一种计算渗透率的简便方法,本文还运用图像处理方法来构造多孔介质,该方法构造的二维多孔介质能较好地体现实际多孔介质的几何特征。     

指数型谐振管的二维气体动理学格式模拟

本文构造了适合模拟变截面谐振管的非结构三角形网格上的二维气体动理学BGK模型,采用该模型研究了包括圆直谐振管在内的八种不同形状的指数型谐振管内声场及流场的分布,分析了谐振管形状对压力分布和瞬时流场的影响。研究发现,从抑制激波、高次谐波以提高压力振幅和压比方面综合分析,形状参数m=2.2的指数型谐振管具有更好的性能。研究中也发现了一些新的物理现象,并对这些现象做了详细的解释。     

气体在微细多孔介质中的流动阻力研究

本文对空气、氢气和氦气流过微细多孔介质内部的流动阻力特性进行了实验研究,分析不同气体在不同颗粒直径条件下摩擦因子与等效雷诺数的关系.结果表明:对于空气、氢气和氦气,当颗粒直径为225μm和125μm时,由于可压缩性的影响,摩擦因子略大于经验公式结果.对于空气,当颗粒直径为90μm和40μm时,实验得到的摩擦因子小于经验公式结果.对于氢气和氦气,当颗粒直径为125μm时,经过可压缩性修正的摩擦因子实验值略小于经验公式结果;颗粒直径为90μm和40μm时,摩擦因子小于经验公式结果.因此,对于空气、氢气和氦气,当颗粒平均直径小于90μm时,微细多孔介质中的流动特性存在稀薄气体效应.     

气孔分布特性对含水多孔介质气体扩散的影响

本文基于多孔介质的气孔分布特性,计算了多孔介质在含水状态下的扩散性能,并且比较了采用两种方式计算相对渗透率时的相对扩散性能。其结果表明,基于气孔分布的计算结果低于与气孔分布无关的计算结果。另外,疏水性含水多孔介质的扩散性能低于亲水性含水多孔介质的扩散性能,基于气孔分布计算含水多孔介质的气体扩散性能时,Wyllie公式并不适用。     

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.     

气体和气溶胶在多孔介质中迁移的数值模拟

为了研究多孔介质对气体和气溶胶的封闭能力,用数值方法模拟了气体和气溶胶在多孔介质中的迁移.考虑了渗透、吸附过滤、扩散、热传导等因素,在柱对称坐标下用双孔双渗模型进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较.计算结果显示,多孔介质对气溶胶有较强的阻挡作用,模拟实验结果也证明了这一点.     

烧结/堆积床多孔介质流动沸腾换热实验研究

本文实验对比研究了0.3 mm、0.5mm、0.7 mm三种粒径的铜颗粒烧结与堆积床多孔介质中的流动沸腾换热,主要研究了入口流速、热流密度、加热方位及粒径对流动沸腾换热的影响,以及多孔介质中的沸腾滞后。实验结果表明:大入口流速、低热流密度、下方加热以及小粒径时加热壁面的过热度较低,即有利于沸腾换热;本实验所用烧结多孔介质壁面过热度高于堆积床多孔介质,其原因是内部含有闭孔。     

随机四参数法生成多孔介质及渗流模拟

本文基于多孔介质内流动的广泛应用背景,模拟了多孔介质渗流.采用随机四参数生长法生成了多孔介质模型,并对模型中的微小固相进行了过滤处理,将随机四参数生长法生成的多孔介质结合格子玻尔兹曼方法D2Q9模型模拟了压力驱动的多孔介质中的渗流.通过将模拟结果与著名的CK理论公式的计算结果进行比较,发现在孔隙率高时误差较小(cp=0...     

多孔介质流动沸腾微观模型实验研究

多孔通道内流动沸腾广泛应用于热管、高效换热器、航天热防护等领域,认识孔隙尺度相变典型行为及特点有助于理解多孔介质内沸腾传热机理,进而改进多孔介质内部流体相变模型。基于此,本文搭建了二维多孔介质内流动沸腾实验台,对微米级多孔通道内部流动沸腾现象及气泡行为进行研究。实验发现在毛细力、黏性力和惯性力的共同作用下,多孔介质内的流动沸腾形态显著区别于直通道内的沸腾,存在局部气泡堵塞、合并和液膜蒸干、再润湿等行为。该研究有助于增强对相变过程的理解,并为多孔结构优化设计提供指导。