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.     

基于LBM-LES的三维串列多圆柱绕流尾涡结构研究

为了研究三维串联多圆柱绕流在不同圆柱间距比L/D(L为圆柱的间距,D为圆柱直径)情况下的尾涡结构,基于格子玻尔兹曼(LBM)方法,采用大涡模拟(LES)方法计算了高雷诺数下三维单圆柱及三维串联多圆柱在不同L/D情况下的尾涡流场.数值结果表明:LBM-LES方法可以较好地模拟出三维单圆柱以及串联多圆柱的尾涡结构;高雷诺数...     

分块法研究圆柱绕流升阻力

使用新的分块耦合方法，分别对单圆柱和串列双圆柱绕流进行了数值模拟．对于单圆柱绕流，低Re下计算所得到的定常涡尺寸与实验非常接近．对于串列双圆柱绕流，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所产生的影响，计算结果与实验非常吻合，为进一步研究涡致振动提供了依据．     

并列双椭圆柱绕流的格子Boltzmann-虚拟区域方法的模拟研究

采用格子Boltzmann-虚拟区域方法对并列双椭圆柱绕流进行了模拟研究。首先,通过与并列双圆柱的结果进行对比,验证了数值方法的有效性。其次对雷诺数为200时两种间距(g=0.5a和2.0a,g为柱体表面间距,a为椭圆长轴)的情况进行了研究,考察了椭圆长轴与短轴之比,即α值对柱体升阻力系数及涡结构的影响。研究发现,与圆柱相比,对于g=0.5a椭圆柱的升阻力系数可能出现两种变化,一是升阻力随时间演化较规则,接近周期性;二是流场可能长时间偏向于其中一个椭圆柱,这些变化与α的值有关。对于g=2.0a,两个椭圆柱后的某一区域内会出现四列涡街,经过一段时间,四列涡街又会演化成两列向两侧扩张的涡街。     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明:插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.      

一种快速稳健的并行多块结构动网格方法

为解决传统网格处理方法不能满足复杂外形在大设计空间内进行优化时对网格质量的要求的问题,提出了一种并行多块动网格方法,该方法基于初始外形的多块结构网格,根据优化过程中个体外形与初始外形拓扑结构相近的特性,利用体样条插值方法来拟合多块结构网格各块顶点的位移,得到几何外形变化后的拓扑结构,再利用无限插值方法并行地移动初始外形多块结构网格的边、面和块内的网格点,进行光顺处理后得到变形后几何外形的空间网格;该方法在保证网格质量的同时,可以极大地提高网格生成效率,本文以某翼身组合体为例结果表明,该方法在大设计空间的复杂外形设计问题中具有很强的实用性。     

双圆柱绕流特性的模拟研究

采用格子Boltzmann方法对低雷诺数下气体绕流圆柱的规律进行了研究. 对比计算了双圆柱在不同圆心距、不同Re数、不同来流速度与双圆柱圆心连线角度的情况下,各个圆柱的受力大小和曳力系数. 结果表明,若Re数为20, 改变圆柱间距,圆柱间距在1.2d和1.4d之间时,下游圆柱所受曳力有极小值;双圆柱间距为1.6d时,双圆柱受到总曳力最小;圆柱间距大于2d时,上游颗粒受到的曳力不再受到下游颗粒的影响. 若圆柱间距为1.2d, 改变雷诺数,Re数在30和40之间,下游圆柱所受曳力有极小值. 另外,来流速度角度对圆柱的受力影响很大. 上述规律为低Re数下圆柱绕流的深入研究与应用打下基础.      

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。     

FVM与LBM分区耦合模拟圆柱绕流

构造了用于模拟远场边界下圆柱绕流的有限容积法(FVM)与格子Boltzmann方法(LBM)的分区耦合模型.模型中,靠近圆柱处采用多块网格的LBM,远离圆柱处采用FVM,并将计算结果同适体网格LBM以及多块网格LBM进行了比较.结果表明,耦合模型能在保证计算精度的前提下,显著提高计算效率.     

均匀旋转对圆柱水动力及流动结构的影响

基于格子Boltzmann方法 (LBM)对均匀旋转控制下的低雷诺数(Re=100)圆柱绕流问题进行了数值模拟,得到了转速比从0～10变化下,旋转控制对圆柱水动力及流动结构的影响规律.使用动态模态分解(DMD)对流场特征进行提取,并分析了施加旋转控制之后转速比对流场不同模态和增长率的影响.结果表明,随着转速比增大,圆柱下游流动结构依次呈现出卡门涡街、剪切层、反向剪切层、单侧涡和附着涡5种结构;阻力系数时均值先减小,随后在转速进入单侧涡区间后增大,升力系数与力矩系数的时均值均单调增加,同时,在出现涡脱落的两个转速区间内,水动力出现了明显的波动,且二次失稳时波动幅度更大. DMD的结果表明,圆柱下游的流动结构主要受圆柱壁面的旋转影响而发生改变并产生全新流动模态;旋转会对流动稳定性产生影响:在未充分发展阶段,旋转对流动稳定性的影响不显著,而在充分发展后,各转速下的流场不稳定模态数均远少于未充分发展阶段,随着转速比的增大,流动稳定性会产生不同程度的增强或减弱,且无涡脱落时的稳定性高于有涡脱落时,因此,通过旋转控制抑制尾涡脱落可以有效增强流动的稳定性.     

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。     

A study of the upper limit of solid scatters density for gray Lattice Boltzmann Method

The upper limit of the solid scatters density ns （x）, a key parameter for the simulation of flows in porous media with a gray Lattice Boltzmann Method, is studied by an analytical way for the infiltration Poiseuille flow between two infinite parallel plates. Analyses of three different gray Lattice Boltzmann schemes, separately proposed by Gao and Sharma et al., Dardis and McCloskey, and Thorne and Sukop, indicate that the effective domain of Gao and Sharma＇s scheme is restricted to ns 〈 1/2√3≈0.289, Dardis and McCloskey＇s scheme is restricted to ns 〈 （√57-1）/28≈0.234, and that there is no extra restriction on ns（x） with Thorne and Sukop＇s scheme. These results are obtained for the dimensionless relaxation time τ= 1. The above analytical results are verified by our numerical simulations. The use of a gray LBM is further illustrated by simulating the flow at the interface of a porous medium. Simulation results yield velocity profiles which agree very well with Brinkman＇s prediction.     

格子Boltzmann方法中基于内插值的曲线边界处理新方法

对格子Boltzmann方法提出了一种新的曲面边界条件处理方法。在笛卡尔坐标系中,这种处理方法是现有的格子Boltzmann方法有关边界条件处理与浸入式边界条件的混合,它采用内插值方法计算靠近物理边界的网格点速度,使其保证最低精度为二阶,然后利用格子Boltzmann方法中的边界条件技术得到相应的分布函数。由理论推导和数值计算表明,本文提出的方法比其他方法更稳定且具有二阶精度。     

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．     

Shear‐improved Smagorinsky modeling of turbulent channel flow using generalized Lattice Boltzmann equation

Generalized Lattice Boltzmann equation (GLBE) was used for computation of turbulent channel flow for which large eddy simulation (LES) was employed as a turbulence model. The subgrid‐scale turbulence effects were simulated through a shear‐improved Smagorinsky model (SISM), which is capable of predicting turbulent near wall region accurately without any wall function. Computations were done for a relatively coarse grid with shear Reynolds number of 180 in a parallelized code. Good numerical stability was observed for this computational framework. The results of mean velocity distribution across the channel showed good correspondence with direct numerical simulation (DNS) data. Negligible discrepancies were observed between the present computations and those reported from DNS for the computed turbulent statistics. Three‐dimensional instantaneous vorticity contours showed complex vortical structures that appeared in such flow geometries. It was concluded that such a framework is capable of predicting accurate results for turbulent channel flow without adding significant complications and the computational cost to the standard Smagorinsky model. As this modeling was entirely local in space it was therefore adapted for parallelization. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于伪势格子Boltzmann模型修正PR状态方程

探讨势函数对伪势格子Boltzmann模型基于PR状态方程计算饱和水气液两相密度的影响,发现选取合适的势函数形式虽可使模拟结果与Maxwell理论解吻合良好,但其与实验值的差距却较大,需修正PR方程。基于伪势模型分析文献中的PR型状态方程发现,单独修正引力或斥力项,均无法同时兼顾计算精度和模型适用的温度范围。为此,本文基于该模型同时对PR方程的引、斥力项系数进行修正,得到了一个新的能够准确地描述饱和水气液两相性质的状态方程。     

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.     

粘弹流体轴对称流动的格子Boltzmann方法

基于BGK碰撞模型，通过在迁移方程中引入作用力项，建立了粘弹流体的轴对称格子Boltzmann模型．通过Chapman-Enskog展开，获得了准确的柱坐标下轴对称宏观流动方程．采用双分布函数对运动方程和本构方程进行迭代求解，模拟分析了粘弹流体管道流动，获得了流场中的速度和构型张量的分布，通过与解析解进行比较，验证了模型的准确性．研究了作为粘弹流体流动基准问题的收敛流动，对涡旋位置进行了定量分析，将回转长度的计算结果与有限体积法进行了比较，两种数值结果十分吻合．研究结果表明，模型能够准确表征粘弹流体的轴对称流动，具有较广阔的应用前景．     

基于格子Boltzmann方法的粘弹性流体圆柱绕流分析

将光滑界面法引入到格子Boltzmann方法中分析粘弹性流体绕流问题,分别采用单松弛模型和对流扩散模型求解运动方程和Oldroyd-B本构方程,针对圆形和椭圆内部边界条件,给出连续界面插值函数,在此基础上,运用光滑界面法将内部边界转换为作用力项施加到演化方程中。首先分析圆柱绕流问题,给出不同材料参数情况下的流场分布和阻力系数计算结果,比较发现与宏观数值模拟结果相吻合。将模型拓展到绕椭圆流动中,分析椭圆形状和材料参数对粘弹性流体绕柱流的影响,发现随着椭圆长轴与短轴比值的增加和维森伯格数的增加,阻力系数逐渐下降,并且长短轴比对迭代收敛有较大影响。     

Lattice Boltzmann modeling of transport phenomena in fuel cells and flow batteries

Fuel cells and flow batteries are promising technologies to address climate change and air pollution problems. An understanding of the complex multiscale and multiphysics transport phenomena occurring in these electrochemical systems requires powerful numerical tools. Over the past decades, the lattice Boltzmann(LB) method has attracted broad interest in the computational fluid dynamics and the numerical heat transfer communities, primarily due to its kinetic nature making it appropriate for modeling complex multiphase transport phenomena. More importantly, the LB method fits well with parallel computing due to its locality feature, which is required for large-scale engineering applications. In this article, we review the LB method for gas–liquid two-phase flows, coupled fluid flow and mass transport in porous media, and particulate flows. Examples of applications are provided in fuel cells and flow batteries. Further developments of the LB method are also outlined.