一种模拟大密度比多相流的混合算法

在扩散界面法(diffuse interface method,DIM)的基础上提出一种能够处理大密度比(large density ratio)的多相流混合算法.流场信息通过格子波尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)获得;相界面通过直接求解Cahn-Hilliard(C-H)方程确定.为保证在大密度比情况下求解界面方程的稳定性,采用二阶迎风格式来离散方程的对流项.通过对Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定、液体中的气泡上升及液滴撞击干燥壁面的数值模拟,验证了方法的可行性.     

基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法的流固耦合算法研究

针对流固耦合问题,发展了基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法(immersed boundary method multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver,IB-MRT-LBFS)的弱耦合算法.依据多尺度Chapman-Enskog展开,建立不可压宏观方程状态变量和通量与格子玻尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系;采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,根据修正的速度求解动量方程力源项;结构运动方程采用四阶龙格-库塔法求解.格子模型与浸入边界法的引入使流固耦合计算可以在笛卡尔网格下进行,无需生成贴体网格及运用动网格技术,简化了计算过程.数值模拟了单圆柱横向涡激振动、单圆柱及串列双圆柱双自由度涡激振动问题.结果表明,IB-MRT-LBFS能够准确预测圆柱涡激振动的锁定区间、振动响应、受力情况以及捕捉尾流场结构形态,验证了该算法在求解流固耦合问题的有效性和可行性.     

过渡区微尺度流动的有效黏性多松弛系数格子Boltzmann模拟

为提高采用二维九速离散速度模型的格子Boltzmann方法 (LBM)模拟微尺度流动中非线性现象的精度和效率,引入Dongari等提出的有效平均分子自由程对黏性进行修正(Dongari N,Zhang Y H,Reese J M2011 J.Fluids Eng.133 071101);并针对以往研究微尺度流动时采用边界处理格式含有离散误差的问题,采用多松弛系数格子Boltzmann方法结合二阶滑移边界条件,对微尺度Couette流动和周期性Poiseuille流动进行模拟,并将速度分布以及质量流量等模拟结果与直接模拟蒙特卡罗方法模拟数据、线性Boltzmann方程的数值解以及现有的LBM模型模拟结果进行对比.结果表明,相对于现有的LBM模型,引入新的修正函数所建立的有效黏性多松弛系数LBM模型有效提高了LBM模拟过渡区的微尺度流动中的非线性现象的能力.     

基于隐式IB-LBM的二维搅拌摩擦焊接模拟

本文首次采用隐式浸入边界格子Boltzmann方法(IB-LBM)对二维搅拌摩擦焊接过程中的输运现象及搅拌头受力状况进行数值模拟与分析。两个不同的多松弛方程被分别用来求解速度场及温度场,搅拌头受力由浸入边界法计算得到。采用一种可移动的分块网格技术加密变形区域。搅拌头-工件界面考虑部分黏着/滑移接触条件,并通过模拟得到的扭矩计算产热量,形成工艺内部产热的自适应。结合实验数据,分析了2024-T3铝合金焊材的热量物质流动特性以及搅拌头受力特点。讨论了搅拌头转速及焊接速度对产热以及搅拌头受力影响。另外,研究发现三平面搅拌针作用下的搅拌区域明显大于圆形搅拌针。     

基于焓法的固-液相变格子Boltzmann模型

潜热储能系统中的相变材料固液相变问题是一个重要的多相流动问题.本文研究了在具有不同类型源项下的焓法格子Boltzmann相变模型在还原温度场分布上的特性.为了消除外力项对温度场的额外影响,本文对源项进行了修正,并通过求解单区域相变问题和自然对流相变问题,验证了由Chapman-Enskog展开得到的焓守恒方程中源项的影响.结果 表明,在单区域相变问题中,改进模型的温度分布更加准确.另外,在有相变的自然对流问题中,没有潜热附加项的改进模型的熔化过程比其他模型略慢,同一时刻的最大液相率与最小液相率之差小于0.01.     

格子Boltzmann方法模拟微尺度流动和传热

本文采用格子Boltzmann方法(LBM)对微尺度Couette流的流动及传热进行了模拟.为了获得壁面边界的速度滑移和温度阶跃,在含有粘性热耗散的热格子模型的基础上,提出了一种新的直接基于宏观量的边界处理格式.模拟得到的速度场和温度分布与解析解吻合得相当好,充分说明了本文采用的模型和边界处理的合理性同时在模拟中还发现:对于不同的Kn数,均存在使得其上壁面的温度阶跃为零的临界Ec数,并且其临界值均在3.0附近.     

等离子弧焊接熔池演变过程的格子Boltzmann模拟与验证

本文应用基于分子动理论的格子Boltzmann方法,建立了描述定点等离子弧焊接熔池动态演变过程的二维数理模型,对相变过程的传热与流动现象开展模拟;根据焊接过程能量分布特点改进等离子弧的组合式热源模型,采用total-enthalpy模型求解温度、速度分布及追踪相界面。研究结果表明,模拟的熔合线形状与实验焊缝吻合,格子Boltzmann模拟得到的计算精度及计算效率均优于基于连续流体假设的有限容积法,验证了格子Boltzmann方法用于等离子弧焊接模拟的可行性和优越性;熔池中出现两个方向相反的环流,流动对焊缝形状的作用不容忽略;熔池的流动方式影响了温度场、速度场及二者协同度,直接影响固相线上的热量传递,促进了焊缝中部凸起的形成。     

新型高双折射及色散平坦光子晶体光纤研究

用平面波展开法对光子晶体光纤中电磁场的Maxwell方程组进行了求解。将光纤截面作为超元胞衍生出一个无边界的二维周期性系统，光纤纤芯等效为光子晶体中的缺陷，借助平面波法对其性质进行研究，模拟了半导体中的超格子。运用上述超格子模型，对与纤芯同列孔半径可变的高双折射及与包层中纤芯距离最近的孔半径可变的色散平坦光子晶体光纤的光学性质进行了研究，发现与纤芯同列的孔半径变化时，其双折射比传统光纤更强，而当包层中距离纤芯最近的孔半径取特定值时，可得到近零色散平坦光纤并在大范围内获得反常色散。与传统光纤和普通光子晶体光纤相比，这种新型的色散平坦光纤在密集波分复用（DWDM）光通信系统中具有更高的应用价值。     

格子Boltzmann方法分布函数重构算子的应用

给出了格子Boltzmann方法(LBM)密度分布函数和温度分布函数的两个重构算子,解决了LBM与其它方法耦合的关键难题.构造了LBM与有限容积法(FVM)以及LBM与分子动力模拟方法(MD)的两个耦合模型.通过方腔自然对流以及平板通道内的泊肃叶流动对耦合模型进行验证.结果表明,基于重构算子的耦合模型可以正确地应用于L...     

基于不可压LBM的汽液两相流数值研究

本文利用格子Boltzmann方法(LBM)研究汽液分离过程与相界面的表面张力,在不可压单相LBM模型与Kupershtokh伪势模型基础上,通过引入Carnahan-Starling状态方程构建了一种单组份汽液两相LBM模型并开发了相应程序。本文采用周期性边界条件,模拟了汽液两相在不同初始密度下的分离过程,得到了两相完全分离的结果。此外,本文模拟了单个液滴从非平衡态到平衡态的演化过程,通过Laplace定律计算平衡态液滴表面张力与液滴半径、温度的关系,结果表明,LBM能较好地计算汽液两相流中的界面动力学问题;利用单组份汽液两相LBM模型与Laplace定律进行计算,结果表明液滴表面张力随温度升高而下降,该结论与实际流体表面张力与温度的关系定性上一致。这进一步验证了本文提出的单组份汽液两相LBM模型的有效性。     

直拉法晶体生长过程非稳态流体热流耦合

为了改善复杂对流形态下的晶体生长品质, 提出了一种改进的格子Boltzmann方法研究非稳态熔体流动和传热的耦合性质. 该方法基于不可压缩轴对称D2Q9模型, 构建了包含旋转惯性力和热浮力等外力项的演化关系, 实现了对轴对称旋转流体的速度、温度和旋转角速度的计算与分析. 结果表明, 非稳态熔体中的流、热耦合性质与格拉斯霍夫数和雷诺数的相互作用有关; 通过调节高雷诺数, 可有效抑制熔体中的自然对流, 改善温度分布, 有助于提高单晶的品质. 数值计算结果与实际硅单晶生长试验均证明了所提方法的正确性及有效性.     

基于速度源修正的浸入边界-晶格玻尔兹曼法研究仿生微流体驱动模型

浸入边界—晶格波尔兹曼法在流固耦合等复杂的流体系统中得到广泛的应用.本文采用基于速度源修正的浸入边界—晶格玻尔兹曼法,建立了仿生微流体驱动模型,创新性地将波动弹性体的速度引入晶格玻尔兹曼方程,避免了传统浸入边界—晶格玻尔兹曼法中浸入边界速度-结构变形-力之间的转换,提高了计算效率和准确率.研究了行波波动细丝对流场内流动速度和压力的影响,重点分析了驱动模型各项参数对微流体的驱动效果.研究结果表明:细丝长度、频率、振幅的增加引起出口处流量的增加;波长、流体粘滞系数以及细丝位置与出口处流量呈复杂的非线性关系.     

A numerical study on pattern selection in crystal growth by using anisotropic lattice Boltzmann-phase field method

Pattern selection during crystal growth is studied by using the anisotropic lattice Boltzmann-phase field model.In the model,the phase transition,melt flows,and heat transfer are coupled and mathematically described by using the lattice Boltzmann(LB) scheme.The anisotropic streaming-relaxation operation fitting into the LB framework is implemented to model interface advancing with various preferred orientations.Crystal pattern evolutions are then numerically investigated in the conditions of with and without melt flows.It is found that melt flows can significantly influence heat transfer,crystal growth behavior,and phase distributions.The crystal morphological transition from dendrite,seaweed to cauliflower-like patterns occurs with the increase of undercoolings.The interface normal angles and curvature distributions are proposed to quantitatively characterize crystal patterns.The results demonstrate that the distributions are corresponding to crystal morphological features,and they can be therefore used to describe the evolution of crystal patterns in a quantitative way.     

深径比对邱克拉斯基结构内旋转驱动流动的影响

为了了解深径比对邱克拉斯基(Czochralski)结构内旋转驱动流动的影响,利用有限容积法进行了三维非稳态数值模拟。结果表明:随着液池深径比的增加,流动逐渐加强,当旋转速度超过某一临界值后,流动转变为三维非稳态振荡流动。随着液池深径比的增加,速度波振荡幅度增大,速度波波数和周向传播方向都随之改变;浅液池内坩埚旋转作用占主导地位,速度波传播方向与坩埚旋转方向相同,深液池内晶体旋转大于坩埚旋转对流动的影响,速度波传播方向和晶体旋转方向相同。     

界面动力学对过冷熔体中球晶生长界面形态的影响

考虑了在非平衡凝固条件下球晶生长过程中界面动力学系数随界面温度的变化,利用渐近分析方法求出了在过冷熔体中球晶生长温度场和界面的近似解析解,研究了非线性界面动力学过冷对于过冷熔体中球晶界面形态和生长速度的影响.研究表明,界面动力学系数越大,球晶的生长速度越快; 反之,表明界面动力学系数越小,球晶的生长速度越慢.与忽略界面动力学的情形比较,在球晶生长过程中依赖于界面温度变化的界面动力学显著地减缓了晶体生长的速度. 关键词： 球晶 界面形态 渐近分析     

溶液中球形晶体溶解的分析

从物质溶液浓度变化角度考虑了球形晶体在溶液中溶解随表面张力的变化,利用渐近方法求出了在溶液中球形晶体溶解的浓度和界面的近似解析解,能够计算出溶解过程中球形晶体溶解的浓度、界面演化形态.研究了表面张力对于溶液中溶质浓度分布、球晶界面形态和溶解速度的影响.结果表明,表面张力促进了球形晶体在溶液中的溶解.随着表面张力参数增大,溶液中在界面前沿的溶质浓度升高,球形晶体的溶解速度增大;随着时间的增加,溶解速度逐渐变大,球形晶体半径逐渐变小,直至溶解结束.     

一种基于多矩的有限体积浸入边界法

基于多矩VSIAM3格式及浸入边界法,提出一套在复杂计算区域内求解不可压缩流动的数值格式.不可压N-S方程使用VSIAM3格式进行离散,引入浸入边界法处理复杂、移动边界,使用虚拟网格方法计算动量方程修正项,同时还考虑了对连续方程的修正.使用标准算例对数值模式进行验证.     

About the kinetics of normal crystal growth

Usually, the kinetic coefficient of crystal growth, i.e. the coefficient of proportionality of the crystal growth velocity to the undercooled temperature, is supposed to be a constant parameter. In the present study we show that this assumption is valid only for low undercooling temperatures, and in general it is a function of temperature. The kinetic coefficient was found to be a linear function of the temperature of the crystal/melt interface, which becomes zero for the glass transition temperature. PACS 81.10.AJ     

超短激光打孔中快速相变的格子玻尔兹曼模拟

采用双重分布函数的格子玻尔兹曼模型，对单脉冲激光金属打孔过程中的快速相变传热进行研究.模型考虑了金属材料熔化后熔体的流动换热，并采用浸没移动边界方案对过程中的固液界面进行追踪.采用纯导热模型和考虑对流的换热模型计算，将结果和试验进行对比，结果表明：在激光打孔过程中熔体的流动对相变传热产生较大影响，采用考虑流动换热模型的结果与实验更接近.进而对熔化速度、熔化深度以及温度场的变化进行分析，并探讨不同激光工艺参数对相变过程的影响.模拟发现一个脉冲结束后，激光的脉宽越大，孔深越小，孔径越大，且最高温度较短脉冲激光越低.