绕圆柱流体的LB模拟

介绍一个流体动力学的格子Boltzmann并行模拟模型。用该模型模拟了流体动力学中的卡门涡街现象。利用计算机可视化技术该模型可动态显示流体流动状态的演化过程,便于分析各种流体动力学现象。     

分支通道内液-液自发渗吸规律研究

自发渗吸过程中两相界面在分支通道内的破裂和汇合为强非稳态过程, 难以用经典理论及常规数值计算方法准确描述。本文采用格子玻尔兹曼方法研究孔隙结构分支通道基本单元内的液-液自发渗吸行为, 对比出入口通道大小、两相黏度差异对液-液自发渗吸行为的影响。入口通道的大小对两相界面破裂进入分支通道内的竞争自发渗吸行为起控制作用, 而两相流体黏度控制了自发渗吸整体行为。本研究为复杂孔隙结构内液-液自发渗吸行为定量表征提供研究基础。     

彭水地区龙马溪组页岩渗吸规律及渗吸动态分布

渗吸作为压裂液在储层中的主要吸收方式, 是提高页岩气产能的重要驱动力。以重庆市彭水地区龙马溪组页岩为研究对象, 依次进行毛管力测试、不同条件下的渗吸实验及核磁共振实验。结果表明: ①页岩的渗透率与孔隙度极低, 以微孔和小孔为主, 基本无大孔, 孔隙结构较差; ②页岩渗吸过程分为三个阶段, 随着压力和温度的升高, 渗吸效果增强, 破胶压裂液的渗吸效果略强于未破胶压裂液, 表面活性剂和KCl溶液可以降低页岩渗吸能力; ③页岩渗吸的核磁共振T₂谱具有明显的双峰特征, 渗吸过程中, 中大的孔隙和裂缝在初期阶段就被液体瞬间充满, 极微的孔隙和裂缝首先被充填, 随后液体进入稍大的微孔隙和微裂缝, 在渗吸过程中页岩表面产生大量的微裂缝。     

川南龙马溪组页岩储层水相渗吸规律

基于川南龙马溪组页岩多重孔隙特征,建立渗吸解析模型,定量计算不同孔隙类型渗吸深度。在此基础之上,开展考虑页岩储层温度、围压、流体压力共同作用下的水相渗吸实验,分析页岩水相渗吸规律。结果表明：基于渗吸饱和度渗吸过程可分为3个阶段：渗吸扩散段、渗吸过渡段、渗吸平衡段,其中渗吸扩散段为渗吸能力主要贡献段。在焖井初期由于流体压力作用页岩渗吸能力大幅度提高,为后续自发渗吸作用提供了渗吸液体。储层围压对页岩渗吸能力有抑制作用,但仍能提高储层改造效果,孔隙度增加倍数范围为0.42倍~1.63倍,渗透率增加倍数范围为17.6倍~67.3倍。黏土孔渗吸深度远大于脆性矿物孔和有机质孔,粘土矿物为页岩水化作用诱导微裂缝主控因素。焖井有利于提高川南龙马溪组页岩储层改造效果。研究成果可为页岩气井返排制度优化提供依据。     

一种新的模拟渗流运动的数值方法

根据格子Boltzmann方法及相关理论，建立了一个新的模拟渗流运动的数值模型，所得模型没有在边界上采取相应平均措施，同时还避免了一些非物理副产品的出现-实例计算数值结果与精确解符合较好，证明模型可靠- 关键词： 渗流 格子Boltzmann方法 数值模型     

考虑渗透率张量的非均质油藏有限元数值模拟方法

针对具有混合边界的非均质油藏,考虑全张量形式的渗透率,建立弹性微可压缩单相流体不稳定渗流问题的数学模型.根据变分原理,将压力微分方程的边值问题转化为泛函的极值问题,建立渗流模型的有限元方程.针对典型的均质和非均质渗流问题进行模拟计算,得到油藏内压力动态分布曲线,并分析曲线特征.研究表明,有限元法计算精度很高,适用于求解利用渗透率张量表征的非均质油藏渗流问题.为非均质油藏的开发和精细油藏数值模拟提供了理论依据.     

非均质低渗透油藏非线性流动数值模拟

提出一种适用于非均质低渗透油藏非线性流动数值模拟的方法.通过引入单元边界压力和速度两组物理量,在单个网格单元中构造数值计算格式,可精确地获取每个网格单元的压力梯度.以单相非线性渗流问题为出发点,详细阐述该方法的基本原理;通过数值算例验证方法的正确性和适用性.     

欧拉计算程序实现非均质炸药冲击起爆的数值模拟

爆轰的数值模拟研究多采用Lagrangian方法，这是因为Lagrangian网格随质点运动，介质之间的界面用滑移面来描述，故能精确地计算介质的界面。但在遇到网格扭曲和网格变形时，计算往往无法继续进行，这时就要用到网格重分等技术，这无疑增加了人为干预和计算误差。Eulerian方法能计算大变形问题，但不能精确地描述物质的界面，对于模拟平面撞击实验，爆轰波在单种介质中传播，对物质界面几乎没有要求。所以，Eulerian方法在模拟此类问题较Lagrangian方法具有明显的优势。     

基于格子Boltzmann方法的超声速非平衡流模拟

基于D1Q4可压缩格子Boltzmann模型,按照流通矢量分裂方法的思路,采用坐标旋转技术构造求解三维带化学反应Navier-Stokes方程对流通量求解器.结合有限体积法求解三维化学非平衡流Navier-Stokes方程,采用时间算子分裂算法解决化学反应刚性问题,数值模拟超声速化学非平衡流的三个经典算例.数值结果表明:在高马赫数下,采用D1Q4可压缩格子Boltzmann模型构造的三维对流通量求解器数值模拟中没有出现非物理解,同时在超声速化学非平衡流场中正确分辨激波、燃烧波等物理现象,精度和分辨率均较高,验证了本文构造的三维对流通量求解器的可靠性,拓宽了D1Q4可压缩格子Boltzmann模型的应用范围,为计算超声速化学非平衡流提供一种新方法.     

LB方法的一个简单多速模型

研究一个简单的二维三速格子Boltzmann模型。将微观的离散模型与宏观的连续统模型相结合,以宏观的流体力学方程作为约束条件确定局部平衡分布函数。运用Chapmann-Enskog展开法和多尺度技术导出Euler方程和Navier-Stokes方程以及模型的粘性系数表达式。     

Simulation of Combustion Field with Lattice Boltzmann Method

Turbulent combustion is ubiquitously used in practical combustion devices. However, even chemically non-reacting turbulent flows are complex phenomena, and chemical reactions make the problem even more complicated. Due to the limitation of the computational costs, conventional numerical methods are impractical in carrying out direct 3D numerical simulations at high Reynolds numbers with detailed chemistry. Recently, the lattice Boltzmann method has emerged as an efficient alternative for numerical simulation of complex flows. Compared with conventional methods, the lattice Boltzmann scheme is simple and easy for parallel computing. In this study, we present a lattice Boltzmann model for simulation of combustion, which includes reaction, diffusion, and convection. We assume the chemical reaction does not affect the flow field. Flow, temperature, and concentration fields are decoupled and solved separately. As a preliminary simulation, we study the so-called counter-flow laminar flame. The particular flow geometry has two opposed uniform combustible jets which form a stagnation flow. The results are compared with those obtained from solving Navier–Stokes equations.     

相变过程的格子Boltzmann方法模拟

应用Shan提出的伪势多相模型替代R-K着色模型,建立一种新的描述气液相变过程的格子Boltzmann理论模型,模拟蒸发(高密度转化为低密度)过程.改进了计算效率,且得到较好的计算结果.同时应用该模型从孔隙尺度模拟了多孔介质中的相变现象,验证了该模型模拟复杂相变问题的可行性.     

基于改进格子Boltzmann焓法模型的霜层生长数值研究

采用介观尺度格子Boltzmann方法数值研究壁面的表面特性对霜层生长的影响.将成核概率模型和改进的焓法相变模型相耦合，建立基于成核概率理论的霜层生长过程格子Boltzmann模型.该模型能够在宏观尺度上模拟霜层生长的加密加厚过程，也可以从微观尺度上描述局部的冰枝生长导致的霜层结构的动态变化，应用该模型能够获得霜层平均厚度、平均密度、结霜量等内部非稳态物理量.开展冷壁面上霜层形成及生长过程的数值研究，获得霜层的拓扑结构时空演化特性，得到不同时刻下结霜量以及霜层的平均厚度、平均密度、平均固相体积分数，探讨冷壁面温度、相对湿度、冷表面浸润性能对结霜的影响.     

三维格子Boltzmann方法研究上升双气泡的运动特性

应用格子Boltzmann三维模型，对双气泡在静水中的运动进行数值研究.采用八点差分和十八点差分格式分别求解一阶▽φ和二阶▽²φ可以有效避免气液密度比过大造成的数值不稳定问题.结果表明：当两个相同直径的气泡在上升时，位置靠上的气泡形状变化像单气泡上升一样，而位置靠下的气泡会受到前一个气泡尾迹的影响，并有很明显的形状变化.当两个气泡直径不同时，不管初始位置如何，大气泡总会对小气泡造成强烈的影响.     

A Simplified Linearized Lattice Boltzmann Method for Acoustic Propagation Simulation

A simplified linearized lattice Boltzmann method (SLLBM) suitable for the simulation of acoustic waves propagation in fluids was proposed herein. Through Chapman–Enskog expansion analysis, the linearized lattice Boltzmann equation (LLBE) was first recovered to linearized macroscopic equations. Then, using the fractional-step calculation technique, the solution of these linearized equations was divided into two steps: a predictor step and corrector step. Next, the evolution of the perturbation distribution function was transformed into the evolution of the perturbation equilibrium distribution function using second-order interpolation approximation of the latter at other positions and times to represent the nonequilibrium part of the former; additionally, the calculation formulas of SLLBM were deduced. SLLBM inherits the advantages of the linearized lattice Boltzmann method (LLBM), calculating acoustic disturbance and the mean flow separately so that macroscopic variables of the mean flow do not affect the calculation of acoustic disturbance. At the same time, it has other advantages: the calculation process is simpler, and the cost of computing memory is reduced. In addition, to simulate the acoustic scattering problem caused by the acoustic waves encountering objects, the immersed boundary method (IBM) and SLLBM were further combined so that the method can simulate the influence of complex geometries. Several cases were used to validate the feasibility of SLLBM for simulation of acoustic wave propagation under the mean flow.     

基于格子Boltzmann方法的平板射流大涡模拟

应用多GPU技术,将格子Boltzmann方法与大涡模拟相结合(LBM-LES),使用1.12×10⁸网格,对雷诺数Re=4 000,倾斜角α=30°,吹风比M=0.5工况下的平板单孔射流进行了大规模高性能数值模拟研究.合理的定性与定量结果验证了LBM-LES模拟平板射流的有效性与可行性.使用上亿的计算网格捕捉了精细的湍流拟序结构,有利于主流与射流之间的掺混机理研究.此外,使用6个K20M GPU并行计算,模拟了71 680 LBM时间步长,仅耗时15 402秒,计算性能达到521.24MLUPS,即每秒更新5.212 4×10⁸个网格点的数据.     

格子Boltzmann方法对Rayleigh-Benard流的模拟与非线性分析

本文利用格子Boltzmann方法对不同Ra下的Rayleigh-Benard自然对流进行了数值模拟,得到的Nu与前人的结果一致。数值结果表明,Ra=2000时,格子Boltzmann方法得到了三个静态分岔解,其中一个为非稳定解;在Ra=5×10~5时格子Boltzmann方法得到了类似于周期的振荡解。本文采用插值格子Boltzmann方法,在Ra=2000,取不同插值节点进行计算时,得到了一种非稳态解。     

过热液体中蒸汽泡上升过程的格子Boltzmann三维数值模拟

应用格子Boltzmann相变模型,在三维空间研究蒸汽泡在过热液体中生长、上升和变形等动力学行为.为研究传热传质对蒸汽泡运动的影响,对比模拟相同条件下气泡在等温环境中上升的物理过程.结果表明：蒸汽泡在过热液体中上升发生的变形程度较小,意味着相变对蒸汽泡的影响和表面张力一样使汽泡保持初始的形状.蒸汽泡在过热液体中的上升速度较小,说明随着汽泡生长拖拽力的影响比浮力大.蒸汽泡生长率在初始阶段达到最大值,随后会趋于一个恒定的值.随着汽泡体积增大和上升速度的增加,其对流场的扰动也越来越剧烈.蒸汽泡生长和上升引起的对流运动对温度场的演化造成很大的影响.     

微通道内气体流动的格子Boltzmann方法研究

采用格子Boltzmann方法模拟了微通道在滑移区内不同Knudsen数下的微气体Poiseuille流,分析了微气体流动的速度分布以及流量与压降的关系,并给出了相对滑移长度和Poiseuille数随Knudsen数的变化特性。研究结果表明,微气体Poiseuille流的速度轮廓呈抛物线分布,但是边界速度大于0,出现速...     

辐射传输的格子Boltzmann模拟

辐射动力学理论是描述辐射传输是重要手段,基于此,本文建立了辐射能和辐射动量守恒方程,并基于Chapman-Enskog多尺度展开方法实现了从辐射传输Boltzmann方程到宏观方程的推导,进而建立了适于一维辐射传输的2分量格子Boltzmann模型。数值结果与精确解吻合较好,表明本文提出的LBM方法具有很好的准确性和稳...