基于格子Boltzmann方法的单颗粒绕流数值模拟

采用格子Boltzmann方法（LBM）研究了单颗粒绕流流动过程。通过使用LBM中的LBGK（lattice Bhatnagar-Gross-Krook）模型和二阶精度的曲线边界条件处理方法,实现了对单颗粒绕流问题的定常及非定常流动过程中涡结构的模拟。采用动量交换法分别计算了Reynolds数在0.1～200范围内27个不同Reynolds数时的曳力系数,并将计算结果拟合得到基于LBM数值模拟的曳力曲线。计算结果表明,LBM在气固两相流的模拟计算中具有精确、可靠的优点,使用LBM模拟计算曳力曲线的方法经济、易行,并且可以克服由传统实验方法获得曳力曲线的局限性。     

多孔介质的孔隙特性对气体扩散过程影响的直接数值模拟

引言多孔介质内的扩散过程广泛存在于化工、能源、环境和生物等领域,例如石油天然气开采、污水处理、填充床化学反应、催化剂和生物组织内的质量传递等,使得多孔介质内传质现象的研究尤为重要[1-2]。多孔介质由于结构和形状各异,难以有准确、有效且简单的描述方法,因而研究变得极为     

颗粒团绕流曳力系数的LBM计算

采用格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann method, LBM) 中的LBGK(Lattice Bhatnagar- Gross-Krook)模型和二阶精度的曲线边界条件处理方法对二维颗粒团绕流现象进行了数值模拟,并同时使用动量交换法计算了两种颗粒团构型中不同颗粒的曳力系数。结果表明：颗粒团曳力系数与颗粒聚团的构型有着密切联系,颗粒聚团的形成将导致颗粒团曳力系数大幅度减小。除颗粒团构型因素外,颗粒间距和流动Reynolds数也是导致颗粒团曳力系数发生改变的主要因素。当颗粒聚团存在时,颗粒团中不同颗粒的受力有较大差异,若忽略颗粒聚团效应,则颗粒团曳力系数的计算必然将产生偏差。     

多孔介质内颗粒流动特性的格子Boltzmann模拟

地下岩石孔隙中小颗粒的运移和沉积会使得储层渗透性能降低,影响石油开发。为了探究悬浮颗粒在多孔介质中的流动过程,采用格子Boltzmann方法对三维多孔介质内流体和颗粒的运动过程进行了数值模拟,采用有限体积颗粒法构建多孔介质中骨架颗粒和悬浮颗粒。通过Half-Way反弹格式实现流体与颗粒间的相互作用,考虑孔隙结构、入口流速、孔隙率和颗粒直径对颗粒流动特性的影响,探究颗粒的运移和沉积规律。结果表明,入口速度对不同孔隙结构下颗粒的运动作用显著。随着入口速度增大,颗粒与颗粒、孔隙壁面以及流体之间的动量和能量交换作用增强,缩短了颗粒的运移路径,颗粒沉积率逐渐变小,颗粒拟温度增大。孔隙率的下降强化了颗粒间的碰撞,孔隙率由0.581降低至0.400,使得颗粒拟温度提升至9倍。颗粒拟温度随颗粒直径的增加而增加。但随着孔隙率增加,颗粒轴向速度增加,颗粒最高轴向速度可达入口流速的11倍,而颗粒接触力降低。     

分形多孔介质传热传质过程的格子Boltzmann模拟

针对自然界中实际多孔介质具有的分形特性和随机性,利用中点替代算法和二值化处理构造统计上具有分形特性的随机多孔介质。分析了所构造的多孔介质盒维数与Hurst指数之间的关系。基于随机分形构造的原理,对二维实际多孔介质图像进行了重构。利用两点相关函数,分析了重构图像的结构相关性,并与实际目标多孔介质的结构特征进行比较。在与解析解对比验证的基础上,将基于二元混合理论的格子Boltzmann模型(LBM)用于模拟多孔介质内流体扩散过程。通过计算不同分形特性的二维多孔介质的有效扩散系数,研究了重构多孔介质的分形维数与有效扩散系数的关系。利用热耦合LBM模型计算多孔介质内传热过程,分析了不同的分形特性对多孔介质蓄热过程的影响。     

分形多孔介质传热传质过程的格子Boltzmann模拟

针对自然界中实际多孔介质具有的分形特性和随机性,利用中点替代算法和二值化处理构造统计上具有分形特性的随机多孔介质。分析了所构造的多孔介质盒维数与Hurst指数之间的关系。基于随机分形构造的原理,对二维实际多孔介质图像进行了重构。利用两点相关函数,分析了重构图像的结构相关性, 并与实际目标多孔介质的结构特征进行比较。在与解析解对比验证的基础上,将基于二元混合理论的格子Boltzmann模型（LBM）用于模拟多孔介质内流体扩散过程。通过计算不同分形特性的二维多孔介质的有效扩散系数,研究了重构多孔介质的分形维数与有效扩散系数的关系。利用热耦合LBM模型计算多孔介质内传热过程,分析了不同的分形特性对多孔介质蓄热过程的影响。     

串列双方型人工鱼礁绕流特性的数值模拟研究

采用计算流体动力学(CFD)技术,研究串列双方型人工鱼礁(边长为3 m),在不同的布设间距和不同的来流速度下鱼礁周围水体的水流运动规律。研究采用了4种布设间距,分别为4.5 m、6 m、7.5 m和9 m,它们分别为1.5倍、2倍、2.5倍和3倍鱼礁长度。同时选用了0.4 m/s、0.8 m/s两种来流速度,流过不同布设间距的串列双方型人工鱼礁,分别观察鱼礁周围水流运动状况。结果表明,在第二个礁体的尾涡处,串列双方型人工鱼礁比单体方型鱼礁尾涡高度低,长度短。双方型鱼礁布设间距中间漩涡的中心明显低于三棱柱型鱼礁。正压力最大值与鱼礁间距无关,但是与来流速度有关。鱼礁间距对负压力最大值的影响不大,但是来流速度对负压力最大值有重大影响。随着鱼礁间距的增大,第一个鱼礁顶面最大负压区的压力梯度逐渐减小。     

骨料颗粒与多孔材料显微结构关系的研究

本文阐述了多孔材料的孔隙率与生产工艺的关系 ,结合显微结构分析了骨料粒径及其分布对多孔材料的孔隙率、抗折强度的影响。     

功能性多孔介质中气泡输运调控的格子Boltzmann分析

为提高毛细蒸发海水淡化技术中的蒸发效率,多孔介质层需要维持一定的毛细压力,同时还要确保气泡能够快速通过。基于此背景,本文建立了多孔介质参数化模型,探究了气泡穿越多孔介质间隙过程的运动特征,研究在保持一定孔隙毛细压力的同时,通过调控孔道尺寸及排布从而使气泡能够更快速地通过多孔介质层。基于格子Boltzmann伪势模型分析了多孔介质孔隙率、壁面润湿特性、孔道排布及气泡水平方向初速度等对气泡形貌、上升速度、与壁面平均接触面积及孔隙毛细力的影响,获得了多孔介质的孔隙率设计范围,骨架润湿特性调控以及孔道排布方式的选择依据。同时还获得了在实际蒸发过程中,可以使气泡存在一定的水平方向初速度,从而能够更快地脱离多孔介质的策略。     

运动颗粒对传质过程影响的格子Boltzmann模拟

颗粒的主动运动对传质过程有重要影响.以表面恒浓度的二维球形颗粒为研究对象,采用耦合传质的格子Boltzmann方法(LBM)模拟了颗粒在自旋和振动两种情况下的相间传质过程.选择浸入运动边界法和非平衡态外推法处理运动颗粒边界,研究了颗粒自旋速度、颗粒振幅及振动频率对传质过程的影响.结果表明,中等雷诺数的自旋颗粒绕流中,随...     

多孔介质内流体流动的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法模拟多孔介质内的流动过程,通过预测渗透率,比较了单松弛模型、多松弛模型和熵格子模型在多孔介质计算中的优劣,为研究多松弛模型中各自由参数的影响,选择了12种组合进行模拟,此外,还将大涡模拟与格子Boltzmann方法相结合模拟了多孔介质内高Reynolds数下的流动及流型的转变。结果表明：单松弛模型和熵格子模型预测的渗透率随黏度逐渐增大,而多松弛模型得到的结果随黏度变化很小,另外,多松弛模型中不同松弛参数的组合对结果有较大的影响,通过比较推荐了模拟多孔介质时的最佳组合,计算结果与经验公式吻合较好。大涡模拟与多松弛模型结合较好地预测了多孔介质内流型的转变,Reynolds数越大,多孔介质内的涡越多,并且变大。     

Effect of non‐isothermal condition on heterogeneous flow through biofilter media by lattice Boltzmann simulation

BACKGROUND: Biofiltration technology has received much attention due to its effectiveness, low cost and environment friendly properties. It is used to remove odors caused chiefly by hydrogen sulfide (H2S) via biological treatments. RESULTS: In this study, numerical simulations using the thermal lattice Boltzmann method are implemented to investigate the effect of non‐isothermal conditions on heterogeneous flow through three biofilter models that are partly filled with porous media. The generalized Navier–Stokes model based on the Brinkman‐Forchheimer–extended Darcy model is used to make several assumptions. CONCLUSIONS: The numerical results indicate that the Rayleigh number has significant influence on the removal efficiencies of biofilters. There also exist critical Rayleigh numbers for biofilters under non‐isothermal conditions. If the Rayleigh number is less than the critical value, the flow heterogeneity will reduce with increasing Rayleigh number; otherwise, the flow heterogeneity will enhance with increasing Rayleigh number. Moreover, it was found that the performances of biofilters can be improved by designing non‐isothermal conditions between the porous media layers, i.e. by adjusting the Rayleigh number to optimize the detention time of waste air. © 2012 Society of Chemical Industry     

Numerical study of particle dispersion in the wake of gas-particle flows past a circular cylinder using discrete vortex method

A numerical investigation on the particle dispersion in the wake of particle-laden gas flows past a circular cylinder at Reynolds number of 10⁵ is presented. In the numerical method, the Discrete Vortex Method with the diffusion velocity model is employed to calculate the unsteady gas flow fields and a Lagrangian approach is applied to track individual particles. A dispersion function is defined to represent the dispersion scale of the particle. The distributions of gas velocities and vortex blobs, the trajectories and dispersion functions as well as distributions for particles with various Stokes numbers ranging from 0.01 to 1000 are obtained. The numerical results show that: (1) very small sized particles with St = 0.01 can distribute both in the vortex core and around the vortex periphery, whereas intermediate sized particles with St = 1.0, 10 are distributed around the vortex periphery, and very large sized particles with St = 1000 do not feel the gas flow; (2) only at small Stokes number (St = 0.01, 0.1) the particles do not impact with the cylinder; (3) the particle's dispersion intensity decreases precipitously as St is increased from 0.01 to 10.     

大孔隙率多孔介质内热弥散现象数值模拟

采用Surface Evolver泡沫演化动力学软件构建理想的大孔隙率多孔介质的几何模型：Weaire-Phelan模型。通过对有效热导率的计算,确定了该模型的适用范围。在此基础上优选两组几何参数作为计算依据,流体相分别采用空气和水,固体相为铝T-6201,通过数值模拟,研究了孔径、Darcy速度和流-固热扩散系数比的影响。数值计算结果表明：孔径越小,热弥散效应越强,流体本身的热物性对弥散的影响越明显;横向分量远小于纵向分量。当工质为气体时,横向分量可以忽略不计,最后得到了计算纵向与横向热弥散系数的经验关联式。     

基于LBM-DEM的鼓泡床内气泡-颗粒动力学数值模拟

将修正后的格子Boltzmann方法（LBM）与离散单元法（DEM）相结合,建立LBM-DEM四向耦合模型对单口射流鼓泡床中气泡运动进行模拟。其中,流体相采用格子Boltzmann方法中经典的D2Q9模型,颗粒相求解采用离散单元软球模型,颗粒曳力求解采用Gidaspow模型,流固耦合基于牛顿第三定律。应用Fortran语言编程对上述模型进行求解,模拟得到了鼓泡床内气泡演化过程,并与相关实验进行对比,有效验证了当前模型的准确性。同时,分析了床层内颗粒速度、颗粒体积分数以及能量分布。结果表明：颗粒时均速度分布不仅能体现颗粒运动强弱,也可以反映气泡运动过程;床内空隙率与颗粒体积分数分布在预测床层膨胀高度上具有高度的一致性;初始堆积效应使得床内颗粒势能始终大于颗粒动能;随颗粒密度增加,势能增大,动能逐渐减小。     

不可压热流体中气体传质扩散过程的数值模拟

控制流体流动中溶解的气体分子浓度能有效控制流动过程中的化学反应,而由热产生的自然对流能够加强气体分子的传递,因此研究气体分子在热流体流动中的扩散混合过程有重要意义。应用格子Boltzmann方法,耦合热效应和扩散效应,数值模拟了一个简化的容器中随着自然对流的发展,溶解的氧气分子在整个容器中的扩散过程。首先建立了二维9速模型的双扩散模型来模拟热量和质量的双扩散对流。为了考察不同自然对流流动对气体分子传递的影响,设计了3种不同给热条件,对不同热流动的形成过程和气体分子扩散过程进行了模拟,与文献结果吻合良好。通过详细分析热边界如何影响流动和传质过程,证实了模拟的速度场与文献数据差异的合理性,同时为控制气体传质过程提供给热条件的设计依据。