三相流体的轴对称格子Boltzmann模型及其在Rayleigh-Plateau不稳定性的应用

基于多组分相场理论提出了一类模拟三相流体流动的轴对称格子Boltzmann模型.该模型利用两个粒子分布函数来捕捉三种不同流体之间的相界面,另一个粒子分布函数来求解流体动力学方程以获得流场信息.为了刻画坐标变换引起的轴对称效应,巧妙地设计了演化方程中平衡态分布函数和外力项分布函数,从理论上保证本文模型可以正确恢复三相流体系统的宏观控制方程,并且轴对称效应产生的源项中不包含任何复杂的梯度项,从而比现有的轴对称格子Boltzmann模型更加简单高效.首先通过模拟一系列轴对称多相流的基准算例,包括静态的双液滴、液体透镜的扩展和二元流体Rayleigh-Plateau不稳定性,来验证本文模型的有效性与正确性.接下来,利用该模型研究了三相流体的Rayleigh-Plateau不稳定性的增长过程,定量分析了波数和液柱半径比对复合液体线程破裂过程中界面动力学行为、界面破裂时间以及生成子液滴尺寸的影响.可以发现复合的液体线程在波数较大时破裂生成一个复合主液滴和卫星液滴,而在波数较小时可以生成更多数量的卫星液滴,这导致复合主液滴和卫星液滴的尺寸随着波数的增加呈现先增大而后减少的趋势.另外,我们发现内部流体...     

超临界LNG汽化器热流耦合传热研究

采用数值模拟整场求解的方法对超临界液态天然气(LNG)在螺旋管汽化器中热流耦合传热进行研究,得到管壳程流体的流场、温度场。通过研究管、壳程流体质量流量对流体出口温度、管壳程换热系数的影响,揭示汽化器内流体-热耦合传热规律,为超临界高压汽化器设计提供参考。     

多孔介质中化学反应对非等粘流体混合过程影响的格子Boltzmann研究

利用格子Boltzmann方法和GPU计算技术,在孔隙尺度上模拟多孔介质中包含界面化学反应的粘性指进现象,定量分析化学反应对流体混合的影响.采用单浓度变量的双稳态模型来描述界面反应,而各向同性的多孔介质则通过四参数法生成.研究发现化学反应能减小指进界面厚度,抑制流体的混合,甚至会出现反混合现象,并且随着反应速率的增加,影响越明显.     

直拉硅单晶生长过程中工艺参数对相变界面形态的影响

为改善晶体相变界面形态,提高晶体品质,提出了一种融合浸入边界法（immersed boundary method,IBM）和格子Boltzmann法（lattice Boltzmann method,LBM）的二维轴对称浸入边界热格子Boltzmann模型来研究直拉法硅单晶生长中的相变问题.将相变界面视为浸没边界,用拉格朗日节点显式追踪相变界面;用LBM求解熔体中的流场和温度分布;用有限差分法求解晶体中的温度分布.实现了基于IB-LBM的动边界晶体生长过程研究.得到了不同晶体生长工艺参数作用下的相变界面,并用相变界面位置偏差绝对值的均值和偏差的标准差来衡量界面的平坦度,得到平坦相变界面对应工艺参数的调整方法.研究表明,相变过程与晶体提拉速度、晶体旋转参数和坩埚旋转参数的相互作用有关,合理地配置晶体旋转参数和坩埚旋转参数的比值,能够得到平坦的相变界面.     

油藏多孔介质湿饱和流动的热流耦合分析

建立了蒸汽驱热水驱替部分湿饱和流动热流耦合的物理模型,在其基础上得到包括温度方程、压力方程、饱和度方程、渗流速度方程等在内的数学模型,采用全隐式中心差分方法,得到温度场、压力场等的迭代公式,对某应用示例的数值模拟说明了其过程的热流耦合机制,并指出应对油藏实施有效的加热降黏措施,可同时提高原油采收率和采油速率.     

管内耦合换热的辐射热流特征及抽样模式比较

通过数值模拟,研究了圆管层流入口段辐射与对流祸合换热中的辐射热流分布特征,提出并比较了采用蒙特卡罗法计算辐射换热的两种抽样模式。结果表明,在圆管入口段的耦合换热中,同一截面的径向辐射热流密度与轴向辐射热流密度数量级相当,世分布形态差别很大。用蒙特卡罗方法计算辐射换热时,采取等权能束的抽样模式,可消除因抽样能束的能量不同而造成的计算误差、降低计算量、提高计算精度。     

耦合界面张力的三维流体界面不稳定性的格子Boltzmann模拟

采用介观格子Boltzmann方法模拟界面张力作用下三维流体界面的Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性的增长过程,主要分析表面张力对流体界面动力学行为及尖钉和气泡后期增长的影响机制.首先发现三维RT不稳定性的发生存在临界表面张力(σ_c),其值随着流体Atwood数的增大而增大,且数值预测值与理论分析结果σ_c=(ρ_h-ρ₁)g/k~2一致.另外,随着表面张力的增大,不稳定性演化过程中界面卷吸程度和结构复杂性逐渐减弱,系统中界面破裂形成离散液滴的数目也显著减少.相界面的后期动力学行为也从非对称发展转向始终保持关于中轴线对称.尖钉与气泡振幅在表面张力较小时对其变化不显著,当表面张力增大到一定值后,可以有效地抑制尖钉与气泡振幅的增长.进一步发现,高雷诺数三维RT不稳定性在不同表面张力下均经历4个不同的发展阶段:线性阶段、饱和速度阶段、重加速和混沌混合阶段.尖钉与气泡在饱和速度阶段以近似恒定的速度增长,其渐进速度的值与修正的势流理论模型结果一致.受非线性Kelvin-Helmholtz旋涡的剪切作...     

相同尺度下气泡与复杂壁面的耦合特性研究

采用格子Boltzmann方法(LBM)建立了气液固三相耦合的动力学模型,研究了相同尺度下上浮气泡与复杂壁面的相互耦合作用.首先,基于黏性流体理论,通过构建一组格子Boltzmann(LB)方程来描述气液两相的运动,并以LB离散体积力的形式计入了黏性力、表面张力和重力.同时,采用LBM中的Half-way反弹模型与有限差分格式相结合的方式进行固壁边界的处理.然后,利用本文建立的模型,对不同特征尺寸比条件下,气泡与考虑边缘效应的平面固壁和曲面固壁的耦合特性进行了研究.研究发现固壁边界条件以及特征尺寸比对气泡的运动和拓扑结构的变化都具有明显的非线性影响.最后,研究了流体属性对气泡与复杂壁面耦合规律的影响.     

求解飞机蒙皮耦合热效应的壁面热流函数法

分析了飞机内部换热与蒙皮外辐射换热和气动换热的耦合作用,提出了一种求解飞机内外耦合热效应的工程计算方法。通过构造反映蒙皮外辐射换热和气动换热的壁面热流函数,将蒙皮外热环境转化为浮动的热边界条件,实现了飞机蒙皮外部热环境求解与蒙皮内换热求解的解耦处理,避免了难以实现的直接耦合求解。在验证该方法可靠性的基础上, 采用该方法,并结合热网络法与FLUENT软件对某型飞机外部热环境及结构热响应问题进行了计算。     

微孔中反应流体黏性指进混合过程的数值研究

基于国家数值风洞LBM模块和自编程序,本文在孔隙尺度下对微孔中两种可混溶溶液的黏性指进反应混合过程进行了数值研究。针对两种溶液之间的化学反应以及产物的析出,本文重点研究化学反应速率、固态生成物的成核速率以及聚集速率对黏性指进的影响。研究发现：反应会明显改变黏性指进的界面浓度分布,一方面随着反应速率的增加,指进界面处各组分的变化越来越明显;另一方面由于受到扩散作用的限制,当反应速率增大到一定值后,各组分的平均浓度不再发生变化;产物的生成量与反应速率成正相关,与成核速率和聚集速率成负相关;析出的固相组分的浓度与成核速率和聚集速率成正相关;混合长度主要和反应速率相关,成核速率以及聚集速度的改变对混合长度基本没有影响。     

A Lattice Boltzmann Model for Anisotropic Crystal Growth from Melt

We coupled the lattice Boltzmann method with enhanced collisions for hydrodynamics with a model for the anisotropic liquid/solid phase transition. The model is based on a simple reaction model. As a test we have performed calculations for dendritic growth of a crystal into an undercooled melt.     

Cladding mode coupling in long-period gratings formed in photonic crystal fibers

We extend the improved effective index method (IEIM) to analyze the cladding mode of the photonic crystal fiber (PCF) and to predict cladding mode coupling in gratings. By introducing a new step-index fiber model for the PCF, the cladding mode coupling between a LP₀₁ core mode and HE₁₁ cladding mode in long-period gratings formed in PCF is accurately predicted by the IEIM. The fiber model works well for the PCF used here not only in predicting resonant mode coupling, but also in analyzing core and low-order cladding modes.     

相场晶体法模拟过冷熔体中的晶体生长

利用相场晶体(phase-field crystal)模型,采用有限差分法,模拟了过冷熔体中晶体生长过程,研究了不同相区、不同过冷度对晶体生长过程的影响.结果表明,在共存区中,随着演化的进行,晶体生长被抑制,液-晶边界层逐渐变厚;在单相区中,随着过冷度的增大,晶态区面积显著增加,液-晶边界层逐渐变薄.晶体生长速度和过冷度成近似线性的关系. 关键词： 相场晶体 自由能函数 过冷熔体 晶体生长     

强制对流和自然对流作用下枝晶生长的数值模拟

建立了一个基于格子玻尔兹曼方法 （LBM） 的二维模型,对强制对流和自然对流作用下合金凝固过程中的枝晶生长行为进行了模拟研究. 与传统的基于求解Navier-Stokes方程计算流场的方法不同,本模型采用基于分子动理论的LBM对凝固过程中的传输现象进行数值计算. 用三组粒子分布函数分别建立了计算流场、由对流和扩散所控制的浓度场和温度场的LBM演化方程. 通过求解LBM演化方程获得固/液界面前沿的浓度和温度分布. 然后,基于溶质平衡方法计算了枝晶生长的驱动力. 为了对模型进行验证,将模拟在强制和自然对流作用下枝晶上游尖端的稳态生长特征分别与Oseen-Ivantsov 解析解和修正的Lipton-Glicksman-Kurz 模型预测结果进行了比较, 模拟结果和理论预测结果符合良好. 模拟结果还表明,对流使热量和溶质从上游传输到下游,从而加速了枝晶在上游方向的生长,而抑制了下游方向的生长,形成了非对称的枝晶形貌. 关键词： 微观组织模拟 枝晶生长 对流 格子玻尔兹曼方法     

Faceting transitions in crystal growth and heteroepitaxial growth in the anisotropic phase-field crystal model

We modify the anisotropic phase-field crystal model(APFC),and present a semi-implicit spectral method to numerically solve the dynamic equation of the APFC model.The process results in the acceleration of computations by orders of magnitude relative to the conventional explicit finite-difference scheme,thereby,allowing us to work on a large system and for a long time.The faceting transitions introduced by the increasing anisotropy in crystal growth are then discussed.In particular,we investigate the morphological evolution in heteroepitaxial growth of our model.A new formation mechanism of misfit dislocations caused by vacancy trapping is found.The regular array of misfit dislocations produces a small-angle grain boundary under the right conditions,and it could significantly change the growth orientation of epitaxial layers.     

Lattice Boltzmann simulations of a dumbbell moving in a Poiseuille flow

In this paper, the lattice Boltzmann method is applied to simulate a dumbbell moving in a pressure-driven flow in a planar channel with the stress-integration method for the evaluation of hydrodynamic force acting on the cylinders. The simulation results show that the dumbbell also has the important feature of the Segr\'e--Silberberg effect like a particle in a Poiseuille flow. The dumbbell trajectories, orientations, the cylinders vertical velocities and angular velocities all reach their equilibrium values separately independent of their initial positions. It is also found that the dumbbell equilibrium positions depend on the flow Reynolds number, blockage ratio and elastic coefficient. This study is expected to be helpful to understand the dynamics of polymer solutions, polymer synthesis and reaction, etc.