基于总能形式的耦合的双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法

双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法在微尺度热流动系统中得到广泛的应用. 本文基于晶格玻尔兹曼平衡分布函数低阶Hermite展开式, 创新性地提出了包含黏性热耗散和压缩功的耦合的双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法, 将能量场内温度的变化以动量源的形式引入晶格波尔兹曼动量演化方程, 实现了能量场与动量场之间的耦合. 研究了考虑黏性热耗散和压缩功的和不考虑的两种热自然对流模型, 重点分析了不同瑞利数和普朗特数下流场内的流动情况以及温度、速度和平均努赛尔数的变化趋势. 本文实验结果与文献结果一致, 验证了本文数值方法的可行性和准确性. 研究结果表明: 随着瑞利数和普朗特数的增大, 方腔内对流传热作用逐渐增强, 边界处形成明显的边界层; 考虑黏性热耗散和压缩功的模型对流作用相对增强, 黏性热耗散和压缩功对自然对流的影响在微尺度流动过程中不能忽略.     

用格子Boltzmann模型模拟垂直平板间的热对流

引入一个新的能量分布函数，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. 因而，这一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格子Boltzmann模型. 这一模型满足质量、动量和能量守恒的准则. 用该模型对垂直平板间的狭缝热对流进行了数值模拟，数值结果表明，在Prandtl数为1，Grashof数在1.3×10²—1×10⁶之间时，流场将出现多个旋涡结构的流型. 得出了与Lee相一致的结论. 关键词： 能量分布函数 Boltzmann方程 热对流     

热对流条件下颗粒沉降的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法模拟了在热对流条件下的颗粒沉降问题, 在研究单颗粒在等温流体、热流体和冷流体中运动的基础上, 进一步模拟了两个不同温度的颗粒在流体中的沉降.结果表明:两等温颗粒的沉降方式与雷诺数Re以及格拉晓夫数Gr密切相关, 而两不同温度的颗粒与两等温颗粒的沉降规律有显著不同.无论初始位置如何, 冷颗粒最终总位于热颗粒下方运动, Re较大时, 发生连续的拖曳、接触现象, 而Re较小时, 冷颗粒会以较大的沉降速度远离热颗粒. 关键词： 格子Boltzmann方法 颗粒沉降 热对流     

三维方腔温盐双扩散的格子Boltzmann方法数值模拟

研究了温盐双扩散系统的多组分格子Boltzmann方法.通过对二维方腔的温盐双扩散系统的数值模拟，检验了方法的可行性及有效性，所得到的结果与差分法结果符合良好，继而将此方法推广到三维，建立了三维温盐双扩散系统的格子Boltzmann方法，对三维方腔双扩散问题进行了模拟和分析，并与差分法模拟的结果进行了比较，结果令人满意.最后，分析了格子Boltzmann方法在模拟双扩散对流问题时存在的局限性. 关键词： 格子Boltzmann方法 温盐双扩散 Boussinesq近似 数值模拟     

底部局部加热多孔介质自然对流传热的格子Boltzmann模拟

运用格子Boltzmann方法研究了底部局部加热多孔介质方腔的自然对流传热.方腔的上壁面为低温热源,下壁面为局部高温热源,左右壁面为绝热条件.重点分析了高温热源位置a及尺寸b对多孔介质方腔自然对流传热性能的影响,提出了平均Nusselt数Nu和位置a及尺寸b的拟合关系式.研究结果表明:高温热源位置及尺寸对多孔介质方腔内自然对流传热性质的影响很大,且存在最佳高温热源位置(a=4/16)和尺寸(b=0.75),以达到最强的对流换热强度(Nu_(max)≈10.35)和最大的对流换热量(Q_(max)≈5.69).     

利用格子Boltzmann方法模拟矩形腔内纳米流体Raleigh-Benard对流

利用格 子 Boltzmann方法模拟矩形腔内纳米流体Rayleigh-Benard对流, 得到温度场和流线分布, 比较分析不同Ra数、体积分数、粒径下纳米流体对流换热的变化情况. 结果表明: 在相同的Ra 数和体积分数下, 纳米流体的对流换热随着粒径的增大而减弱; 在相同的Ra数和粒径下, 纳米流体的对流换热随着体积分数增大而增强. 关键词： 纳米流体 Raleigh-Benard 多相流 格子Boltzmann方法     

声悬浮过程的格子Boltzmann方法研究

采用轴对称多弛豫时间格子Boltzmann(LB)方法,研究了圆柱形封闭谐振腔中圆盘形样品的声悬浮过程.模拟结果表明,(001)模式下谐振腔的共振长度L=0.499λ,在谐振腔中心引入样品后共振漂移量δL≈-0.9,这与线性声学理论计算结果基本相符.声悬浮力的LB模拟过程包含了黏滞性效应和共振漂移效应,所获得的模拟结果与理论公式计算值在量值上一致,而且其在细节上更符合实验现象.此外,LB模拟还揭示出了声悬浮过程中的声压波形畸变、声流和声辐射压等非线性声学效应.     

方腔内Cu/Al2O3水混合纳米流体自然对流的格子Boltzmann模拟

纳米流体作为一种较高的导热介质, 广泛应用于各个传热领域. 鉴于纳米颗粒导热系数和成本之间的矛盾, 本文提出了一种混合纳米流体. 为了研究混合纳米流体颗粒间相互作用机理和自然对流换热特性, 在考虑颗粒间相互作用力的基础上, 利用多尺度技术推导了纳米流体流场和温度场的格子Boltzmann方程, 通过耦合流动和温度场的演化方程, 建立了Cu/Al₂O₃水混合纳米流体的格子Boltzmann模型, 研究了混合纳米流体颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布. 发现在颗粒间相互作用力中, 布朗力远远大于其他作用力, 温差驱动力和布朗力对纳米颗粒的分布影响最大. 分析了纳米颗粒组分、瑞利数对自然对流换热的影响, 对比了混合纳米流体(Cu/Al₂O₃-水)与单一金属颗粒纳米流体(Al₂O₃-水)的自然对流换热特性, 发现混合纳米流体具有更强的换热特性.     

Double MRT thermal lattice Boltzmann method for simulating convective flows

A two-dimensional double Multiple Relaxation Time-Thermal Lattice Boltzmann Equation (2-MRT-TLBE) method is developed for predicting convective flows in a square differentially heated cavity filled with air (Pr=0.71). In this Letter, we propose a numerical scheme to solve the flow and the temperature fields using the MRT-D2Q9 model and the MRT-D2Q5 model, respectively. Thus, the main objective of this study is to show the effectiveness of such model to predict thermodynamics for heat transfer. This model is validated by the numerical simulations of the 2-D convective square cavity flow. Excellent agreements are obtained between numerical predictions. These results demonstrate the accuracy and the effectiveness of the proposed methodology.     

格子Boltzmann方法模拟填充纳米流体三角形腔内的自然对流

采用格子Boltzmann方法研究填充水-氧化铝纳米流体的等腰直角三角形腔体中的自然对流.讨论瑞利数、颗粒体积分数、热源位置等因素对对流换热的影响,以及不同纳米流体模型对模拟结果的影响.结果表明:在低瑞利数下,随着热源在左壁面向上移动,换热效率逐渐增加.而在高瑞利数(Ra=106)时,观察到相反的现象;采用单相纳米流体...     

耦合界面力的两相流相场格子Boltzmann模型

提出了一种改进的基于相场理论的两相流格子Boltzmann模型.通过引入一种新的更加简化的外力项分布函数,使得此模型克服了前人工作中界面力尺度与理论分析不一致的问题,并且通过Chapman-Enskog多尺度分析表明,所提出的模型能够准确恢复到追踪界面的Cahn-Hilliard方程和不可压的Navier-Stokes方程,并且宏观速度的计算更为简化.利用所提模型对几个经典两相流问题,包括静态液滴测试、液滴合并问题、亚稳态分解以及瑞利-泰勒不稳定性进行了数值模拟,发现本模型可以获得量级为10^-9极小的虚假速度,并且这些算例获取的数值解与解析解或已有的文献结果相吻合,从而验证了模型的准确性和可行性.最后,利用所发展的两相流格子Boltzmann模型研究了随机扰动的瑞利-泰勒不稳定性问题,并着重分析了雷诺数对流体相界面的影响.发现对于高雷诺数情形,在演化前期,流体界面出现一排“蘑菇”形状,而在演化后期,流体界面呈现十分复杂的混沌拓扑结构.不同于高雷诺数情形,低雷诺数时流体界面变得相对光滑,在演化后期未观察到混沌拓扑结构.     

池沸腾中气泡生长过程的格子Boltzmann方法模拟

在通过引入精确差分方法的单组分多相格子Boltzmann模型的基础上耦合能量方程,并考虑流体与固壁间的相互作用力来调节气泡与固壁间的接触角,从而建立了一种新的描述气液相变的格子Boltzmann理论模型. 为验证该模型的正确性,利用其对工质为水的相变过程进行了模拟,发现模拟结果与实验值符合良好;进而利用其验证Laplace定律,发现计算所得的水的表面张力与实验值甚为符合. 为考察该模型处理复杂相变问题的能力,利用其对工质为水的池沸腾中的气泡生长过程进行模拟,发现气泡脱离直径与g^{-0 关键词： 格子Boltzmann方法 池沸腾 气泡生长过程 接触角}     

Simulating liquid-vapor phase separation under shear with lattice Boltzmann method

We study liquid-vapor phase separation under shear via the Shan-Chen lattice Boltzmann model. Besides the rheological characteristics, we analyze the Kelvin-Helmholtz (K-H) instability resulting from the tangential velocity difference of the fluids on two sides of the interface. We discuss also the growth behavior of droplets. The domains being close to the walls are lamellar-ordered, where the hydrodynamic effects dominate. The patterns in the bulk of the system are nearly isotropic, where the domain growt...     

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。     

Thermal equation of state for lattice Boltzmann gases

The Galilean invariance and the induced thermo-hydrodynamics of the lattice Boltzmann Bhatnagar--Gross--Krook model are proposed together with their rigorous theoretical background. From the viewpoint of group invariance, recovering the Galilean invariance for the isothermal lattice Boltzmann Bhatnagar--Gross--Krook equation (LBGKE) induces a new natural thermal-dynamical system, which is compatible with the elementary statistical thermodynamics.     

用格子Boltzmann方法数值模拟三维空化现象

空化是一种微观、瞬时、随机、多相的复杂现象,其过程中所产生的极端条件以及伴随的一系列空化效应,将对液流系统产生破坏性和建设性两方面的作用.采用基于Shan-Chen模型的单组分多相流格子Boltzmann方法对水体中的三维空化现象进行了数值模拟,研究了低压下水体中气核半径与空化现象的相互关系,成功再现了低压下水体中微小气核发展成气泡的过程,并进一步研究了水体依次流经低压区、高压区时空化产生、发展、溃灭的全过程.数值模拟结果和理论预测结果符合良好. 关键词： 单组分多相流 格子Boltzmann方法 三维空化     

Thermal Lattice Boltzmann Flux Solver for Natural Convection of Nanofluid in a Square Enclosure

In the present study, mathematical modeling was performed to simulate natural convection of a nanofluid in a square enclosure using the thermal lattice Boltzmann flux solver (TLBFS). Firstly, natural convection in a square enclosure, filled with pure fluid (air and water), was investigated to validate the accuracy and performance of the method. Then, influences of the Rayleigh number, of nanoparticle volume fraction on streamlines, isotherms and average Nusselt number were studied. The numerical results illustrated that heat transfer was enhanced with the augmentation of Rayleigh number and nanoparticle volume fraction. There was a linear relationship between the average Nusselt number and solid volume fraction. and there was an exponential relationship between the average Nusselt number and Ra. In view of the Cartesian grid used by the immersed boundary method and lattice model, the immersed boundary method was chosen to treat the no-slip boundary condition of the flow field, and the Dirichlet boundary condition of the temperature field, to facilitate natural convection around a bluff body in a square enclosure. The presented numerical algorithm and code implementation were validated by means of numerical examples of natural convection between a concentric circular cylinder and a square enclosure at different aspect ratios. Numerical simulations were conducted for natural convection around a cylinder and square in an enclosure. The results illustrated that nanoparticles enhance heat transfer in higher Rayleigh number, and the heat transfer of the inner cylinder is stronger than that of the square at the same perimeter.     

脉动流在分叉管中通栓效果的晶格玻尔兹曼方法研究

血栓引发的各种心血管疾病一直威胁着人们的健康. 在已经产生血栓的血管中, 脉动对于疏通血管有良好的作用. 由于血液的黏滞作用以及红细胞的惯性, 脉动流的频率会影响血管通栓的效果. 在分叉管模型中, 低压差的条件下, 由于另一畅通管子的导通作用减少了回流, 导致通栓效果不理想. 通过增大压差和提高脉动流的振幅, 降低畅通管子导通作用的影响, 研究脉动流在分叉管中的通栓效果. 研究发现, 脉动低频通栓效果好, 但是通栓需要的时间较长; 高频通栓时间短, 但是当频率高于一定值, 则通栓效果不明显. 细胞和管壁的摩察系数对通栓效果也有影响.     

用晶格玻尔兹曼方法研究血液在分岔管中的栓塞

血液栓塞形成机理一直是学术界研究的热点.本文将以圆形刚性颗粒在分岔管中的运动模拟血液在微血管中的运动,对血液在分岔管中的栓塞现象作了初步研究.重点研究了当血管发生分岔时,血管中血液流速的变化以及血栓形成的概率.得出结论,压积越大越容易发生栓塞,压差越大越不易发生栓塞.分岔管的入口和分岔处最容易发生栓塞.血液经分岔管后,大管中的压积比小管的高.