振荡层流边界层运动的格子Boltzmann模拟

将波浪作用下的振荡边界层问题化为振动平板边界层问题，利用格子Boltzmann方法中不可压缩的模型模拟了线性波和椭圆余弦波作用下的层流边界层流速变化，并和理论解进行了比较。算例表明，不同波浪条件下的数值模拟结果和理论解吻合较好，仅在流速较小的相位时两者在近床面处有较大误差，误差的形成主要与边界条件的精度有关。     

Sine-Gordon方程的格子Boltzmann模型

格子Boltzmann方法为研究非线性复杂系统提供了一种新的手段。文中采用单驰豫形式的格子Boltzmann方程，建立起了Sine—Gordon方程的格子Boltzmann模型，并对该方程进行了数值模拟，得到了令人满意的结果。     

嵌套边界的非均匀格子Boltzmann方法

基于区域分裂技术与非平衡态外推技巧，设计了一种嵌套边界的非均匀网格算法。该算法的基本思想是：将流体流动区域分解成若干个边界相互嵌套的子区域，在每个子区域内部的分布函数使用均匀网格的格子Boltzmann方法求解，区域边界的分布函数通过粗细网格转换与非平衡态外推获得。使用该方法对二维顶盖驱动方腔流动问题进行数值模拟，计算结果与其他方法的结果相吻合，表明该方法可行的、有效的，并且在高雷诺数(Re)下有较好的稳定性。     

三维分形絮团沉降的格子Boltzmann模拟

黏性泥沙絮团的形成机理和沉降特性对河口海岸细颗粒泥沙运动规律研究具有重要作用。为了从微观结构出发研究絮团运动机理，由扩散受限絮凝体聚集模型生成不同大小的分形絮团，引入格子Boltzmann方法模拟三维分形絮团的静水沉降，获得了絮团沉速的变化过程。比较格子Boltzmann算法模拟结果与采用盒子计数分维数的 Winterwerp絮团沉速公式，发现二者有较好的一致性，表明格子Boltzmann模拟方法可应用于河口海岸环境中的黏性泥沙运动研究。     

二维剪切流的格子 Boltzmann 模拟

本文给出了格子Boltzmann方法收敛到Navier Stokes方程严格的证明过程。之后,我们应用标准的格子Boltzmann方法模拟二维剪切层流动中的Kelvin Helmholtz不稳定问题。结果表明,剪切流动的不稳定情况可以在无表面张力的模拟中得到。     

波浪在平缓岸滩上爬坡的有限差分格子Boltzmann模拟

应用有限差分格子Boltzmann方法模拟平缓岸滩上波浪爬坡过程,计算结果和半解析解以及其它数值模型模拟结果吻合.通过和标准格子Boltzmann模型计算结果比较,发现在格子Boltzmann方法的基础上采用高精度有限差分格式离散方程取较大的空间和时间步长就可以得到稳定的计算结果,节省计算时间,可以用于模拟大范围波浪爬坡现象.     

扁球体泥沙颗粒沉降的三维格子Boltzmann模型

应用格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)模拟扁球体单颗粒沉降,并引入大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)描述较大颗粒沉降引起的尾流紊动,建立了扁球状泥沙颗粒沉降的三维数值模型。利用该模型对不同雷诺数下(1～7 580)扁球体泥沙颗粒的静水沉降进行了验证模拟。数值模拟结果与已有试验数据相比较,在泥沙颗粒沉降轨迹、沉降速度和阻力系数等方面有较好的一致性。     

加热对竖置平板水边界层影响的实验研究

本文用流场显示，电视录像与测量局部摩擦阻力同时进行的方法，研究了加热对竖置平板水边界层流态及摩擦阻力的影响，实验发现在流场湍度１％的水洞中，模型前部壁面的加热有效地延迟了水边界层的转捩，延长了层流区长度，相应地斑生成频率下降，处于转捩区的测力板上的平均摩擦阻力明显下降，处于层流区测力板上的摩阻略有减小，而处于湍流区侧力板上的摩阻略有增大，实验中还观察了模型头部加热引起层流分离现象。     

二维分层流的格子Boltzmann数值模拟

基于格子Boltzmann方法，采用改进的自由能模型，对二维分层流和“气泡”迁移现象进行了数值模拟。计算模型中，边界条件处理采用了法向反弹假定，这种处理方法具有二阶精度且简单易行。在给定的条件下，对分层流进行了数值模拟，流速的计算值与其理论解非常吻合，最大相对误差不超过0.3％。常规自由能模型不能满足伽利略不变性，在模拟气泡运动时，圆形气泡往往会变为椭圆形；而改进的自由能模型满足伽利略不变性，在模拟气泡时其形状不会失真。最后，给出了一个“气泡”迁移的数值仿真，在计算了200 000个时间步后，气泡仍然保持原来的形状。数值试验的结果验证了模型的有效性与可靠性。     

处理二维浅水流动中动边界问题的淹没节点法

针对浅水流动中的动边界问题，本文设计一种淹没节点方法，根据网格单元各节点的被淹没情况，即单元水面高程和各节点高程的差值，对单元平均水深和单元界面处平均水深进行修正，运用高精度无振荡的FDS格式和有限体积法求解含有动边界的二维浅水方程。除对单元水深和界面水深进行修正外，离散方程形式与传统方法相同，实现过程简单。应用该方法对两个典型算例进行了数值模拟，模拟结果分别与其他学者的模拟结果和精确解高度吻合。表明本文方法精度较高、实现过程简单、可以有效解决浅水方程的间断、动边界和河床起伏问题。     

RESEARCH ON THE MIXING LAYER OF FIBER SUSPENSIONS AND DIRECT SIMULATION ON THE MOTION OF CYLINDRICAL PARTICLES

The mixing layer of fiber suspensions was simulated numerically with the spectral method and the fibers in the flow were traced individually with calculation. The corresponding experiments were made. The results show that the Stokes number of particles is the key parameter to determine the spatial distribution of fibers and the coherent structures control the orientation of fibers. Direct simulations of the motion of cylindrical particles were carried out via lattice Boltzmann method. It is found that the aspect ratio of particles has significant effects on the translation and rotation of the cylindrical particles. A new lattice Boltzmann method which is convenient to deal with the curved boundary is proposed.     

SECONDARY INSTABILITY WITH RESPECT TO SPATIAL GROWING THREE－DIMENSIONAL SUBHARMONIC DISTURBANCES IN BOUNDARY LAYER FLOW WITH SUCTION

ＳＥＣＯＮＤＡＲＹＩＮＳＴＡＢＩＬＩＴＹＷＩＴＨＲＥＳＰＥＣＴＴＯＳＰＡＴＩＡＬＧＲＯＷＩＮＧＴＨＲＥＥ－ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬＳＵＢＨＡＲＭＯＮＩＣＤＩＳＴＵＲＢＡＮＣＥＳＩＮＢＯＵＮＤＡＲＹＬＡＹＥＲＦＬＯＷＷＩＴＨＳＵＣＴＩＯＮ￥ＺｈａｏＧｅｎ...     

粗糙床面振荡紊流边界层运动的三维格子玻尔兹曼模拟

该文采用格子玻尔兹曼(LB)方法建立了紧密排列颗粒粗糙床面振荡紊流边界层模拟的三维数学模型。收集粗糙床面波浪水槽实验结果,对水槽实验条件下的振荡流边界层进行模拟,模拟得到的平均流速、紊动特性、等效粗糙高度、摩阻系数和边界层厚度等与实验结果进行了全面对比,并对三维涡旋结构进行了分析。结果表明,所建立的LB数学模型可以合理模拟粗糙床面振荡流边界层流动,能够反映三维涡旋特性,可进一步应用于粗糙床面振荡流紊动特性以及床面粗糙参数的研究。     

基于改进FV-LBM的多孔介质渗流模拟

提出了一种新的基于Brimman -Forchheimer方程的多孔介质流动格子Boltzmann法的有限体积形式（FV-LBM）。在该方法中,多孔介质效应通过将外力引入格子Boltzmann方程中,并通过以单元为中心的有限体积法求解,同时将权重的校正因子引入进来以提高数值计算的稳定性。用该方法验证了完全多孔Poiseuille流和Couette流,数值计算结果与理论解吻合较好。而且还用该方法模拟了具有均匀和非均匀孔隙度的裂隙-孔隙模型,结果表明：当达西数增加时,多孔层中的速度增加;而当裂隙区域的速度峰值减小时,速度轮廓接近抛物线。研究成果为多孔介质渗流模拟提供了有效途径。     

INCEPTION OF AIR ENTRAINMENT ON STEEP SLOPE

In this paper,based on the momentum integral equation of boundary layer onthe steep slope and the equation of water depth deduced from both the equation of continuity in-cluding the effect of the boundary layer and the energy equation outside the boundary layer onthe steep slope,and with the aid of the function of velocity profile in the boundary layer,thewater depth and boundary layer are numerically computed by Runge-Kutta method.The methoddetermined parameters in the preceding equation are also discussed in detail for the laminar andturbulent flows.The water depth boundary layer and point of inception of air entrainment cal-culated by the method above agrcc extremely well with observed data obtained by prototype.     

ANALYSIS AND MEASUREMENT OF STOKES LAYER FLOWS IN AN OSCILLATING NARROW CHANNEL

The velocities of boundary layer flows between two parallel oscillating plates separated by small distance, i.e., in so called narrow channel, were theoretically and experimentally studied. The focus was on the laminar case where the Reynolds number ReA is much smaller than the transition value. The theoretical analysis of the Stokes layer in oscillating flow over a narrow channel was made first. Then Laser Doppler Velocimeter （LDV） was employed to measure the Stokes boundary layer above an oscillating flat plate and inside the oscillating narrow channel at various ReH numbers. At the same time, the phase angle difference along the vertical direction in both analysis and experiment were provided. The good agreements are shown between the measured results and the theoretical solution.     

SOLUTE TRANSPORT IN NATURAL FRACTURES BASED ON DIGITAL IMAGE TECHNOLOGY

A method of fracture boundary extraction was developed using the Gaussian template and Canny boundary detection on the basis of the collected digital images of natural fractures. The roughness and apertures of the fractures were briefly discussed from the point of view of digital image analysis. The extracted fractured image was translated into a lattice image which can be directly used in numerical simulation. The lattice Boltzmann and modified moment propagation mixed method was then applied to the simulation of solute transport in a natural single fracture, and this mixed method could take the advantages of the lattice Boltzmann method in dealing with complex physical boundaries. The obtained concentrations was fitted with the CXTFIT2.1 code and compared with the results obtained with the commercial software Feflow. The comparison indicates that the simulation using the mixed method is sound.     

LATTICE BOLTZMANN SCHEME TO SIMULATE TWO-DIMENSIONAL FLUID TRANSIENTS

ＮＯＭＥＮＣＬＡＴＵＲＥｐα ———ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｐ(0 )α ———ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｅα———ｌｏｃａｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｔｒｅａｍｖｅｌｏｃｉｔｙｒ———ｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｇｒｉｄｎｏｄｅδｔ ———ｔｉｍｅｉｎｃｒｅｍｅｎｔτ———ｔｈｅＢＧＫｒｅｌａｘａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒα———ｉｎｄｅｘｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｔｒｅａｍｄｉｒｅｃｔｉｏｎｂ———ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｐａ…     

用Lattice Boltzmann方法模拟二维水力过渡过程

本文旨在探索用Lattice Boltzmann方法模拟二维水力过渡过程的可行性。应用Chapman Enskog展开技术，导出了一套多尺度方程，将LB方程和其所对应的宏观方程联系起来；根据水力过渡过程基本方程的特点，建立了计算二维水力过渡过程的一个LB模型；应用该模型对一维正弦波的传播、一维断波的传播与反射、二维拐角衍射波等典型算例，以及近似为二维问题的混凝土蜗壳在机组甩负荷和起动工况下的水力过渡过程进行了模拟分析。研究表明用LB方法模拟多维水力过渡过程是可行的，值得进一步探讨。