梯度润湿表面上液滴定向迁移及合并行为的格子Boltzmann模拟

采用改进的格子Boltzmann方法,对梯度润湿性表面上液滴的定向迁移及合并行为进行了数值模拟,该模型在精度和稳定性上都有很大改善,同时,研究了梯度润湿性表面上液滴定向迁移和合并的动力学特性,并对液滴尺寸及润湿梯度对液滴动力学特性的影响规律进行了分析。数值结果表明,液滴在梯度润湿性表面运动时会发生形变,且动态接触角逐渐减小。润湿梯度对液滴定向迁移行为有显著影响,润湿梯度越大,液滴左右侧接触线位移越大,润湿长度增加越快。但是液滴尺寸对接触线位移影响较小。润湿梯度对液桥宽度基本无影响,但对液滴初始合并时间有显著影响。     

用格子Boltzmann方法模拟液滴撞击固壁动力学行为

首次用格子Boltzmann方法中的伪势模型对液滴撞击固壁的动力学行为进行了数值模拟.详细研究了液滴在壁面上的流动状态以及各种因素对撞击过程的影响.通过数值模拟得到:壁面的可润湿性越小,液滴越容易发生反弹,液滴的回缩速度越快;液滴的撞击速度越大,所得到的相对直径越大,回缩速度越快;液滴的粘性越小,所得到的相对直径越大;液滴的表面张力越大,液滴越容易发生反弹现象.另外,液滴的最大相对直径与We数满足一定的线性关系,这些结果与前人的理论预测和实验结果完全吻合.     

倾斜壁面浸润性梯度驱动液滴运动过程的格子Boltzmann模型研究

基于介观模型的多组分伪势格子Boltzmann方法,模拟了倾斜壁面浸润性梯度驱动液滴的运动过程,研究了壁面浸润性梯度、壁面倾斜角度对液滴运动过程的影响．结果表明,对于一定倾斜角度的壁面,当壁面上浸润性梯度足够大时,液滴能够克服重力的作用实现“爬坡”;液滴在运动过程中,其前进及后退接触角与当地静态接触角间存在差值;增大壁面浸润性梯度时,液滴能够获得更快的加速,并且前进及后退接触角与当地静态接触角之间的差值也随之增大;增大壁面倾斜角度时,液滴的运动受到阻碍,前进及后退接触角与当地静态接触角的差值小幅减小．     

液滴撞击具有浸润性分布的倾斜固壁铺展行为的格子Boltzmann研究

采用基于单组分多相伪势模型的格子Boltzmann方法,模拟了三维液滴撞击左右两侧浸润性不同的倾斜固壁的铺展过程,获得了液滴在壁面两侧的铺展因子、相对铺展宽度、相对高度和液滴运动速度随时间的变化情况,研究了壁面浸润性分布和壁面倾斜角度对液滴铺展过程的影响．结果表明,液滴在倾斜壁面的铺展过程受到重力和表面力的综合作用,重力影响液滴的铺展和沿壁面向下的滑动,壁面浸润性分布影响液滴向壁面亲水侧横向移动．     

用格子Boltzmann方法数值模拟混合层中旋涡的合并过程

用格子Boltzmann方法计算混合层中的流动问题。在流场的入口处加不同频率、振幅和相位的小扰动,观察混合层中旋涡的演进机理,模拟二维混合层中旋涡合并现象。在基本扰动波的基础上,又加入频率为基本波频率一半的亚谐波,得到了两个涡合并的计算结果,当加入的亚谐波频率为基本波频率的三分之一时,得到了三个涡合并的计算结果。这些计算结果与已有文献的结果基本一致,显示用格子Boltzmann方法模拟混合层问题是可行的。     

悬浮颗粒运动的格子Boltzmann数值模拟

将固体颗粒的牛顿力学和格子Boltzmann方法相结合,研究不规则形状悬浮颗粒在流场中的运动。通过受力分析,精确求得其所受合力、合力矩、合力作用中心等。提出了跟随颗粒运动的动网格计算域技术和模拟悬浮颗粒转动运动的局部数组方法及Euler-Lagrange两套坐标技术。通过对椭圆颗粒运动的数值模拟和对照他人对矩形颗粒的研究,分析了其复杂运动规律,并提供了合理的物理解释。结果表明:运用格子Boltzmann方法和上述特殊技术可以得到与有限元方法相同的模拟精度,且具有计算速度快、对复杂形状边界处理方便灵活、程序简单及特别适合大规模并行计算等优点。     

粗糙表面上微液滴的数值模拟

本文使用VOF方法将微液滴在粗糙壁面上的接触现象转化为不可压缩两相流动问题,并对其进行三维数值模拟.选择具有柱形突起和槽道两种微结构的壁面进行模拟.计算了不同粗糙系数时液滴在突起结构表面的静止形态和接触角,计算结果和实验数据吻合得较好.和理论模型进行比较,分析了经典模型的适用范围.对于微槽道结构的壁面,计算给出不同方向测量得到的液滴接触角.实现了液滴在倾斜壁面上滑落过程的模拟.液滴沿斜面下滑时,前进角和后退角的变化存在周期性,这一周期性变化和表面粗糙结构密切相关.     

并列圆柱绕流的格子Boltzmann数值模拟

采用非均匀不可压格子Boltzmann模型对低雷诺数下并列圆柱绕流进行了数值模拟,给出了数值计算结果,分析了间距g对圆柱尾流及升力、阻力的影响,并在此基础上得到了4种尾迹模式.此外,研究了流场的初始扰动对流动分岔现象的影响,发现在适当的扰动下可以很快得到同步同相的尾流.对Re=160和200下圆柱的升、阻力进行了对比,结果表明升力和阻力受间距g的影响大于雷诺数.     

复杂微通道气体流动的格子Boltzmann模拟

构建了一个模拟复杂微通道内气体流动的多松弛格子Boltzmann模型。该模型采用动力学曲面滑移边界,考虑了微尺度效应和努森层影响。此外,为了更准确地描述微通道内气体的滑移速度,在模型中引入孔隙局部Kn数来代替平均Kn数。之后采用Poiseuille流对模型进行验证,模拟结果与用直接模拟蒙特卡洛方法和分子模拟结果吻合较好,证明了该模型模拟微通道内处于滑移区和过渡区气体流动的有效性。最后,采用该模型模拟多孔介质内气体渗流过程。结果表明,随着孔隙平均Kn数的增加,多孔介质内的高渗区域增加,且优先从小孔隙中开始增加,这是由于小孔隙中微尺度效应更加明显,相对大孔隙流动阻力更小所致。     

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.      

黏弹性流体扩展及收缩流动的格子Boltzmann模拟分析

本文应用格子Boltzmann 方法(LBM)并结合Oldroyd-B 模型,讨论了不可压缩的 Navier-Stokes 方程和平流扩散本构方程的解耦及各自求解方法,以及两类问题的边界处理格式,实现了黏弹性流体在二维1:3 扩展流道以及3:1 收缩流道中的流动的数值模拟．获得了不同雷诺数Re 和维森伯格数Wi 以及黏度vs 下流动的流线分布,计算给出了漩涡的涡心位置和大小,并分析了参数Re、Wi 和vs 对流动特点的影响．模拟结果表明本文所采用模型和边界处理方法具有良好的精度和稳定性．     

基于格子Boltzmann方法的挤出胀大的数值模拟

将单相格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method, LBM)引入到粘弹流体的瞬态挤出胀大的数值模拟中,建立了基于双分布函数的自由面粘弹性流动格子Boltzmann模型．分析得到的流道中流动速度分布和构型张量结果与理论解十分吻合．对粘弹流体瞬态挤出胀大过程进行了模拟,并分析了运动粘度比和剪切速率对挤出胀大率的影响,得到的胀大率结果与理论分析和其它模拟结果基本一致．表明给出的LBM可以捕捉挤出胀大的瞬态效应．     

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.      

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.      

不同壁面绕流特性的格子Boltzmann模拟研究

为了探讨不同壁面的绕流特性,针对粘性流场中,不同壁面诱导的涡脱落现象以及升阻力系数等流场特性进行了格子Boltzmann数值研究。利用基于分子动理论的格子Boltzmann方法(LBM)求解Navier-Stokes方程,实现对流体运动的描述,针对不同的壁面条件,分别采用不同的格子Boltzmann流-固壁面处理方法。采用Half-way反弹边界条件来处理平直壁面,而曲壁面则采用LBM与有限差分法相结合的形式进行处理,计入了壁面与标准网格不重合对结果造成的影响。开发相应的计算程序,计算结果与已发表文献结果吻合良好,验证了数值模型的正确性。同时,探讨了进出口边界与钝体中心的距离对结果的影响。对比分析了不同壁面的绕流模型中升阻力系数、斯托罗哈数和涡量云图等,并进一步研究了雷诺数条件的影响。结果表明,不同壁面的绕流特性具有明显差异,且同时受雷诺数的显著影响;一般地,平直壁面对于来流作出的响应更迅速。     

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.     

基于格子Boltzmann方法的电流变液动力学建模及数值模拟

电流变悬浮液内部结构对外电场的快速响应发生在指定的控制空间中,在这一特指的时间和空间尺度上电流变悬浮液的物理行为特征主要为剪切速率低和流动阻尼大,即Mach和Reynolds数一般不大,可以视为微尺度流动来加以研究。针对这一流动特征,基于介观动理论的格子Boltzmann方法,建立了电流变悬浮液两相流动的离散颗粒运动模型,通过该模型进行了动力学模拟,结果表明,该模型解决了分子动力学模型难以描述的因颗粒运动造成局部流场流变特性改变的难题,以及该流场双向耦合过程中对颗粒运动的影响。     

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.