基于格子Boltzmann方法预测多孔介质的渗透率

多孔介质内的流动涉及许多工程应用.文章采用不可压缩的格子Boltzmann模型对多孔介质中的流场进行数值模拟,从微细尺度上得到多孔介质的结构特性及分布情况;同时,获得了多孔介质的渗透率与孔隙率近似成指数的变化关系.根据达西定律和格子Boltzmann方法进行数值模拟,成功获得多孔介质的渗透率,为有效研究孔隙尺度下的渗流问题提供了方法,同时为多孔介质的工程应用及理论研究提供了依据.     

分形多孔介质的流动与传热格子Boltzmann模拟

针对多孔介质内孔隙的尺寸、分布及连通性等结构方面的复杂性和随机性,采用分形谢尔宾斯基地毯模型来实现不同孔隙率及孔隙构造,并利用双分布热耦合格子Boltzmann模型对工质的流动与传热过程进行了数值模拟。在此基础上,研究了同一孔隙结构物理模型下孔隙率和压降对渗透率的影响,探讨了同一孔隙率下压降与不同固相基质结构入口流量之间的关系,并探究了固相基质的热导率及孔隙结构在孔隙流动与传热过程所起的作用。结果显示：建立的数值计算模型能正确地描述多孔介质内的流场及温度场;不同孔隙结构及孔隙率的流线与速度云图反映了多孔介质内流线及流速的分布特征;通过增大压降及孔隙率,能够使渗透率得到提高;不同导热比及孔隙结构类型下的温度分布特征及其随时间的变化规律,能够为强化航空航天领域中相变储能材料的导热性能分析提供理论参考。     

多孔介质内嵌热源引起的对流换热格子Boltzmann模拟

文中引入广义模型与能量方程来分别描述多孔介质内部的动量和热量传递,建立了底部嵌入矩形热源的二维多孔介质内自然对流的格子-Boltzmann(Lattice Boltzmann, LB)模型.通过和实验结果进行对比,验证了文中LB模型求解多孔介质内嵌热源引起的对流换热问题的正确性.系统地研究了Rayleigh数(Ra)、Darcy数(Da)和孔隙率ε等参数对多孔介质内温度场和流场的影响规律.研究结果表明：当Ra>10⁵时,Ra的增加能够提升多孔介质的整体对流换热强度;当Da>10^-5时,Da的增加能有效改善多孔介质内的流动换热情况;孔隙率的增加能够强化流动换热,但不会改变多孔介质的主导换热类型.     

一维对流扩散方程的格子Boltzmann模型研究

给出了一维对流扩散方程u/t+α(u/x)=β(~2u/x~2)的一种三速格子Botzmann模型(D1Q3模型)。采用Chapman-Enskog多尺度展开技术,导出了该模型的平衡态分布函数。理论分析和数值算例均表明,该模型方法具有计算量小、精度较高等特点。     

多孔介质内流体流动的大涡格子Boltzmann方法研究

为研究多孔介质内流动随Re数变化的特点,采用结合Smagorinsky亚格子模型的格子Boltzmann方法(LES-LBM)对多孔介质内流动进行了数值模拟.结果表明：多孔介质内的单相流动在高Re数时会表现出复杂的非线性现象;LES-LBM克服了传统LBGK方法模拟高Re数流动时容易产生数值不稳定的缺点,能清晰地描述出多孔介质内流动存在的3个区域,即低速时的线性达西区、过渡区和高速时的非线性二次区;不同Re下的流线图还说明微观的惯性作用最终导致了多孔介质宏观上的非线性现象,多孔介质流动呈现明显的多尺度特征.进一步分析计算结果可以证明：LES-LBM方法能准确地验证Darcy-Forchhimer阻力方程,Darcy-Forchhimer总阻力随Re数增加而增加,随孔隙率增加而减小,并且小孔隙率下的Forchhimer阻力占总阻力比例小于大孔隙率时的比例.     

高Mach数格子Boltzmann模型

在简单声速可调模型的基础上,通过在演化方程中引入一个粒子吸引项,建立了高Mach数格子Boltzmann模型.利用Chapman-Enskog渐进展开法推导相应的宏观流体力学方程.模拟结果表明,该模型可降低声速,将Mach数提高到5以上,且与理论值吻合.     

模拟颗粒布朗运动的格子Boltzmann模型

通过在格子Boltzmann方法的迭代格式中附加描述分子热运动涨落的分布函数,建立了描述颗粒布朗运动的涨落格子Boltzmann模型,给出了分布函数满足的条件以及在D2Q9格子模型下的具体表达形式.通过Chapman Enskog展开推导,得到了考虑分子热运动涨落的宏观流体动力学方程.在此基础上,对单颗粒在流场中的布朗运动进行了数值模拟,得到了颗粒运动的均方速度及速度、角速度时间自相关函数.结果表明,均方速度满足能量均分定理,说明颗粒最终达到热平衡;颗粒速度、角速度时间自相关函数符合理论预测的t-1、t-2衰减规律.数值结果证明了所建立模型的正确性,为采用格子Boltzmann方法模拟颗粒的布朗运动提供了有效的方法.     

各向同性介质中地震压力波的格子Boltzmann模拟

给出了一种新的用于模拟地震压力波的格子Boltzmann模型。通过使用压力分布函数的Chapman-Enskog展开和多重尺度技术,给出了地震压力波方程的高阶矩。利用这个模型,模拟了各向同性介质中多震源引起的地震压力波的运动以及单震源在不同参数的各向同性介质中的地震压力波的运动情况。通过与有限差分方法的数值结果进行比较发现该结果与有限差分方法的结果吻合很好。     

用格子Boltzmann方法研究二维Burgers方程

给出了一个求解二维Burgers方程的格子Boltzmann方法.分析了相应格式的单调性和稳定性,得到了格式的单调性条件,并证明了在此条件下,格式是L∞稳定的.研究表明,通过引入适当形式的平衡分布函数,采用简单的5速正方格子模型可以恢复宏观Burgers方程.通过与标准二阶精度的有限差分解的比较,证明了本文的格子Boltzmann方法(LBM)是简单而有效的.     

格子Boltzmann方法求解一维黏性Burgers方程的适用性研究

在物理、化学和生物等领域，特别是在环境科学和工程领域最常用的数学模型就是对流扩散方程.传统的数值计算方法，如有限差分法和有限元法等，已经发展了许多方法用于求解这类方程，但在求解对流占优方程的时候，结果尚不能完全令人满意川.近十几年发展起来的格子BoltZm~方法(l     

格子Boltzmann方程模拟不相溶二相流体运动理论

在碰撞项中引入了异类粒子的排斥势,用它取代着色粒子密度重新分布过程,完全克服了人为因素．理论推导表面张力系数的表达式,用以比较模拟的结果,为格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法模拟不相溶二相流体运动提供了理论依据．     

多组分介质的向前和向后Boltzmann方程等效性

推广了Ｓｉｇｍｕｎｄ所引入的传播子函数理论，并以其为工具，简单明晰地证明了多组分介质向前和向后Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程的等效性。     

格子气自动机对多孔介质微观干燥过程的模拟

介绍格子气自动机方法的概念与原理，并用该方法对多孔介质液体吸附和微观干燥现象进行模拟，模拟得到了微观干燥过程湿分迁移特征及干燥特征曲线，模拟结果与文献相符合．初步研究表明，该方法可以用来研究微观的多孔介质干燥过程．     

格子Boltzmann方法研究及其应用

格子Boltzmann方法在多相流动和化学反应中具有非常重要的意义,针对其在湍流、多孔介质流、燃烧、多孔介质燃烧中的应用进行了综述,分析了该方法在模拟这些复杂流体问题时存在的优点和缺点。分析结果表明,格子Boltzmann方法可以直观形象地对复杂流体问题进行模拟,是研究流体内部复杂变化过程的重要评价方法。     

格子-Boltzmann方法模拟多孔介质内自然对流蓄热过程

以在高温热量存储、太阳能利用和建筑节能中有着广泛应用的多孔蓄热装置为研究对象,基于格子-Boltzmann方法(LBM)的基本原理,建立表征体元尺度(REV)上多孔介质自然对流的热流耦合方程,对多孔介质区域内的定温加热过程进行数值计算,探索了蓄热装置工作效果与多孔介质材料和内部流体特性的关系。分析获得了多孔介质渗透率和工质热膨胀率增大对多孔介质蓄热的强化作用,以及强自然对流作用下温度场分布所出现的不均匀特性。     

基于多孔介质模型的过滤器分析

为保证航天发射场供气系统管路的洁净度及管路仪器仪表、压缩机等正常运行,应在设备入口前的管道上安装过滤器。文章利用三维建模软件Solidworks对所研究的过滤器进行建模,采用有限元分析软件FLUENT的多孔介质模型进行数值模拟,通过改变过滤器的孔隙率及流体的速度,对过滤器出口的质量流量和进出口压差进行分析,结果显示:当气相流体为氮气时,过滤器出口的质量流量关于入口速度呈一次函数关系;不同孔隙率（0.56和0.59）对过滤器出口的质量流量影响较小;入口速度越大,进出口压差越大;孔隙率越大,进出口压差越小等规律。     

一类非线性多孔介质方程局部解的唯一性

利用比较原理和一系列先验估计技巧证明了一类推广的非线性多孔介质方程n +bi(x,t,u)Diu-D (aij(x,t,u)Djψ(u))=0弱解的唯一性定理.     

水力旋流器旋流运动的格子Boltzmann模拟

为确定格子Boltzmann方法对水力旋流器中旋流场模拟的适用性,基于水力旋流器的实验模型,采用格子Boltzmann方法,对水力旋流器内单相旋流场进行了模拟,并将本文模拟得到的平均速度分布与实验结果进行对比,给出了平均切向速度和平均轴向速度与实验值的相对误差。结果表明:格子Boltzmann方法能够模拟出水力旋流器中存在的旋流运动,并捕捉到流场的二次回流现象以及涡核的非稳态特征;模拟获得的平均轴向速度和平均切向速度分布与实验结果基本吻合,且对中心二次回流的模拟结果好于Hreiz(2011)文献模拟结果;模拟得出了平均径向速度在轴向上的方向交替变化,这与Hreiz(2011)结论吻合,并给出了水力旋流器中存在的旋进涡核现象。由此证明,格子Boltzmann方法可用于水力旋流器内旋流场的模拟。     

多孔介质干燥的非平衡热力学模型

从非平衡态热动力学和相平衡的角度,建立了多孔介质干燥的非线性数学模型．该模型充分考虑了多孔介质内部传热传质之间的相互耦合现象,从化学势的定义出发,进一步从理论上分析了温度、含湿量对各唯象系数的影响,并通过与实验数据的对比分析,验证了模型的正确性,为干燥过程的实施提供了理论依据。