基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟研究中的应用

对格子Boltzmann方法的本质及Shan-Chen模型的核心机制进行了全面阐述, 并从应用实例角度对基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的有效性、适应性进行了详细分析. 结果表明, Shan-Chen模型易于耦合微观条件下占主导作用的微观力, 拓宽了格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的应用. 同时, Shan-Chen模型在润湿性边界条件表征方面的优势, 使得这种方法在微结构表面的滑移效应模拟方面具有很好的应用前景.     

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。     

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.     

利用格子Boltzmann方法数值模拟Rayleigh-Benard对流

采用格子Boltzmann方法对较大Rayleigh数范围下的二维Rayleigh-Benard对流进行了模拟研究.引入能量分布函数,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,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双分布格子Boltzmann模型.在考虑密度随温度变化的情况下,进行数值模拟,得到了Rayleigh-Benard对流速度、温度随时间的变化规律、系统的流线和等温线分布及平均Nusselt数与Rayleigh数的之间的关系,与相关文献数据进行了对比,模拟结果非常吻合,证明了改进的双分布格子Boltzmann模型的有效性.     

用格子Boltzmann方法模拟Belousov-Zhabotinsky反应中的靶型波

构造了用于Belosov-Zhabotinsky反应的格子Boltzmann模型。通过对使用多组分的分布函数满足的格子Boltzmann方程,进行多重尺度Knudsen数展开,得到了模型的平衡态分布函数的各向同性解。作为算例,给出随机初始条件下反应区域内的靶型波的模拟结果,再现了Belousov-Zhabotinsky反应的经典结果。     

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。     

等离子熔射粉末颗粒飞行过程格子Boltzmann法仿真

为考察等离子熔射过程中粉末的飞行过程,本文在已开发的正六边形7-b it格子Bo ltzm ann(LB)方法等离子射流的温度场和速度场的计算模型基础上,采用单个颗粒加速方程,建立了一个随机算法,实现了对粉末颗粒在射流场中运动过程的仿真;计算结果通过动画演示了粉末飞行的全过程,表明初始位置越靠近射流场出口中心的粉末颗粒加速越充分,并且在射流场一定的情况下,减小粉末颗粒直径可以提高粉末速度,但会降低粉末利用率。     

用格子Boltzmann模型模拟Lotka-Volterra系统

用格子Boltzmann方法模拟了Lotka-Voltcrra系统的动力学行为．通过使用多尺度技术,我们得到了扩散反应系统。以及零扩散的反应系统。从而得到常微分方程系统，这个理论结果表明该格子Boltzmann模型包含了Lotka-Volterra系统的非线性行为，数值结果表明附加的人为扰动可以改变某些初始分布。     

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。     

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.      

LB方法应用实例——水电站水锤计算

建立了模拟水电站水锤的一维ＬＢ模型．通过实例计算与特征线法进行了比较，结果表明ＬＢ方法效果很好，将之引入水电站流场模拟是可行的，值得进一步探讨．     

用格子Boltzmann方程模拟浅水波问题

提出了用格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程（ＬＢＥ）模拟浅水波问题的方法．通过无粘气体运动方程与浅水波方程的比较，确定了ＬＢＥ方法中平衡态的形式，使宏观方程与浅水波方程一致．计算了二维浅水波的一个问题，数值结果与精确解做了比较．     

建筑物周围流场格子Boltzmann仿真

基于格子BGK方程的三维15点格子Boltz-mann模型,对建筑物周围流场进行了数值仿真,对其流场的划分进行了分析,并对不同雷诺数下建筑物周围的流场进行了数值模拟计算,得到了比较满意的结果,为环境质量的评估提供了新的途径.     

一种模拟气液两相流的格子波尔兹曼改进模型

基于格子波尔兹曼自由能模型,提出了一种模拟黏性流场中大密度比气液两相流的改进模型. 为了提高模型的精度,在原始模型的基础上计入了邻近点间粒子数密度的传递速率控制,考虑了碰撞项的差分松弛;为了避免两相间大密度比造成的数值不稳定问题,分别采用六点和九点差分格式求解?和?2. 同时,与传统格子波尔兹曼方法不同,实现了由单步碰撞操作到两步操作的转化. 通过对无重力场中气泡的模拟及与已有模型的计算结果的对比分析,表明该模型具有更高的数值精度. 成功模拟了重力作用下,单个上浮气泡的形变和尾涡形成过程,以及水平和竖直方向上两个气泡的相互作用过程,并验证了其质量守恒和体积不可压缩性.      

AN EVALUATION OF THE BOUNCE-BACK BOUNDARY CONDITION FOR LATTICE BOLTZMANN SIMULATIONS

The bounce-back boundary condition for lattice Boltzmann simulations is evaluated for flow about an infinite periodic array of cylinders. The solution is compared with results from a more accurate boundary condition formulation for the lattice Boltemann method and with finite difference solutions. The bounce-back boundary condition is used to simulate boundaries of cylinders with both circular and octagonal cross-sections. The convergences of the velocity and total drag associated with this method are slightly sublinear with grid spacing. Error is also a function of relaxation time, increasing exponentially for large relaxation times. However, the accuracy does not exhibit a trend with Reynolds number between 0·1 and 100. The square lattice Boltzmann grid conforms to the octagonal cylinder but only approximates the circular cylinder, and the resulting error associated with the octagonal cylinder is half the error of the circular cylinder. The bounce-back boundary condition is shown to yield accurate lattice Boltzmann simulations with reduced computational requirements for computational grids of 170×170 or finer, a relaxation time less than 1·5 and any Reynolds number from 0·1 to 100. For this range of parameters the root mean square error in velocity and the relative error in drag coefficient are less than 1 per cent for the octagonal cylinder and 2 per cent for the circular cylinder. © 1997 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.      

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.      

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.      

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.