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.     

A simple lattice Boltzmann scheme for low Mach number reactive flows

For simulating low Mach number reactive flows, a simple and coupled lattice Boltzmann (CLB) scheme is proposed, by which the fluid density can bear significant changes. Different from the existing hybrid lattice Boltzmann (HLB) scheme and non-coupled lattice Boltzmann (NCLB) scheme, this scheme is strictly lattice Boltzmann style and the fluid density couples directly with the temperature. Because it has got rid of the constraint of traditional thought in lattice Boltzmann scheme,on the basis of the equality among the particle speed c, the time step △t and the lattice grid spacing △x held, both c and △t can be adjusted in this scheme according to a "characteristic temperature" instead of the local temperature. The whole algorithm becomes more stable and efficient besides inheriting the intrinsically outstanding strong points of conventional lattice Boltz-mann scheme. In this scheme, we also take into account different molecular weights of species, so it is more suitable for simulating actual low Mach number reactive flows than previous work. In this paper, we simulated a so-called "counter-flow" premixed propane-air flame, and the results got by our scheme are much better than that obtained by NCLB. And the more important thing is that the exploration in this work has offered a kind of brand-new train of thought for building other novel lattice Boltzmann scheme in the future.     

通用的插值补充格子Boltzmann方法应用于计算气动声学

提出将通用的插值补充格子Boltzmann方法（GILBM）应用于非均匀网格进行计算气动声学研究. 通过顶盖驱动方腔流、低雷诺数圆柱绕流算例验证GILBM数值模拟方法的正确性. 在此基础上,将该方法应用于高斯脉冲传播、周期性声源传播、二维圆柱绕流的气动噪声计算. 研究结果表明,GILBM方法可以在非均匀网格上较好地模拟高斯脉冲及周期性声源声波的传播过程,计算结果与解析解较吻合. GILBM方法能够模拟非均匀贴体网格下的圆柱曲面边界由于涡脱落造成的气动噪声的产生和传播过程,可以较好地捕捉到近场及远场的声压传播. 圆柱绕流声学特性呈现出偶极子现象,计算结果与参考文献较吻合,证明采用GILBM方法在非均匀网格中模拟声传播问题的正确性及求解气动声学问题的可行性.     

血液在分叉管栓塞的晶格玻尔兹曼方法研究

基于对血栓形成机理问题,建立了血液在分叉血管中流动的晶格玻尔兹曼模型,研究在不同压差、压积下血栓的形成机理。模型用刚性小球代替红细胞,为了使模拟更符合实际,在管壁与小球之间增加了摩擦力。结果表明,压积越大越容易发生堵塞,压差越大越不容易发生堵塞,在入口以及分叉处最易发生堵塞。     

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     

利用高精度浸没边界-格子Boltzmann流固耦合格式模拟2维刚体自由沉降运动

自由刚体的流固耦合问题是计算流体动力学领域的热点问题,也是实际工程应用中的常见问题。为了推广最新提出的基于迭代力项的浸没边界-格子Boltzmann(immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)耦合格式使之能够计算自由刚体的流固耦合问题,首先在原控制方程中添加自由刚体的运动方程组,然后利用IB-LB耦合格式离散并数值求解该数学模型。以两小球在水箱中的自由沉降运动为例,比较了本方法与其他流固耦合算法的计算结果。最后模拟了富有挑战性的矩形平板在水箱中飘动的过程,捕捉到了与实验数据相吻合的刚体运动轨迹和流态结构,通过对比本法和现有同类算法的单步平均耗时与平板平均速度,证明了推广后算法在计算复杂流固耦合问题上有较高的计算效率和精度。     

锥形管中血液栓塞的晶格玻尔兹曼方法

针对血液循环中血液栓塞问题,基于晶格玻尔兹曼方法建立二维锥形管模型,以不可变形的多个刚性粒子代表红细胞模拟血液在锥形管中的栓塞,考察粒子在流场中的平均速率,对粒子在管道中的运动进行跟踪,统计粒子在管道中的位置,求出粒子在管道不同水平位置的容积率,并记录栓塞瞬间整个管道粒子的分布情况。研究结果表明,压积越大越易发生栓塞,压差越大越不易发生栓塞,锥形管的出口处容易发生栓塞。     

二维格子Boltzmann方法圆柱绕流湍流模拟

采用多松弛格子Boltzmann方法的大涡模拟技术对二维圆柱绕流问题进行了数值模拟.运用二阶插值反弹格式处理圆柱边界,同时结合Wall-Adapting Local Eddy-viscosity模型(WALE)对壁面附近湍流粘性进行修正,测算了其升、阻力系数和涡脱落频率.结果显示:在雷诺数小于300时,升、阻力系数以及涡脱落频率均跟实验值吻合较好;对于较高Re数问题,其三维效应不能忽略,模拟结果跟实验值有所偏差,但通过引入WALE模型进行壁面修正,该方法较其他二维方法在估算阻力系数上精度有明显提高.     

用多松弛格子Boltzmann方法模拟三维水击波

旨在探索用多松弛格子Boltzmann方法模拟多维水击波的可行性.采用三维方法模拟了一维水电站简单管水击现象,得到准确的直接水击和间接水击过程,证明其能准确模拟压力波传播与反射特性;模拟了二维拐角衍射,得到与其他方法吻合的结果;详细分析了断波撞击三维台阶产生的反射和衍射现象,获得合理的压力分布.研究表明:多松弛格子Boltzmann方法稳定性好,精度较高,能够准确模拟水击波的传播、反射和衍射,可推广到实际问题研究中.     

Lattice Boltzmann方法及其应用

Lattice Boltzmann方法是目前国内外计算流体动力学（CFD）领域研究的热点之一，介绍了LB方法的数学模建、边界处理、算法、系统地分析了其特点，并指出了该方法存在的不足，提出了相应的改进措施，也具体计算了一些实际问题，为今后更深入的研究和广泛应用打下了基础。     

平板间方柱绕流的格子Boltzmann方法模拟

为研究平板间方柱绕流上下平板对置于其中的方柱绕流所产生的影响,采用格子Boltzmann方法对二维平板间低雷诺数(Re=100)方柱绕流问题进行了数值模拟研究.分析了3种不同阻塞比下,平板边壁对方柱的升、阻力系数、Strouhal数和尾涡流场的影响.结果表明:平板对方柱绕流特性有明显的影响,随着阻塞比的增加,阻力系数和Strouhal数均增大,与无边壁相比阻力系数可增加达30%,而升力系数却随之减小.计算结果与相关实验数据相吻合,验证了格子Boltzmann方法对钝体绕流非定常问题模拟的有效性。     

Investigation on the three-dimensional multiphase conjugate conduction problem inside porous wick with the lattice Boltzmann method

A lattice Boltzmann model is developed for investigating the heat conduction process inside the three-dimensional random porous media. Combined with the algorithm for the reconstruction of the three-dimensional porous media, this model is used to investigate the transient heat conduction process inside the porous wick of CPLs/LHPs, which is vital for analyzing the startup stability of a CPL/LHP. The temperature distribution inside the porous wick is obtained and the influence of the porosity and the heat lo...     

Acceleration of Lattice Boltzmann Simulation via OpenACC

基于OpenACC的格子波尔兹曼加速模拟

郭书豪^{1, 2},吴杰^{1, 2}

（1. 南京航空航天大学 机械结构力学与控制国家重点实验室,南京 210016;2. 南京航空航天大学 空气动力学系,南京 210016）

创新点说明：

本文研究了流体动力学问题数值模拟中串行码的并行加速问题。为求解流场,采用格子波尔兹曼方法（LBM）,并用OpenACC（Open Accelerator）应用编程接口执行程序加速。通过并行计算密集的循环、减少一些无意义的数据传输,基于LBM的串行代码得到了明显的加速。针对几个标准的流体动力学问题,通过OpenACC编程模型进行模拟来实现性能和计算效率的评估。优化后,与原代码版本相比,加入OpenACC的代码能得到合理的加速比。

研究目的：

利用OpenACC对串行的LBM代码进行并行加速。

研究方法：

主要利用OpenACC的导语,对现有的LBM串行代码进行注释,随后在GPU环境下运行。

结果：

通过模拟方腔流、静止的圆柱绕流以及圆柱的涡激震荡问题,验证的OpenACC对LBM串行代码并行化的可行性。

结论：

OpenACC能简单有效地提高LBM串行代码的计算速度。

关键词：OpenACC;格子波尔兹曼方法;并行计算

     

利用格子Boltzmann方法确定换热器管间距

换热器内的流体流动状态直接影响换热效率，合理排布换热管能够改善流动效果，提高换热效率，利用格子Boltzmann方法对换热管外流场进行计算模拟，得到了换热管布管参数最佳比值，在比值下，管外流体流动十分充分，使换热管壁面附近边界层厚度减薄，提高了换热效果，模拟结果对实际生产中换热管的布置具有很好的参考价值．     

Numerical simulation of dynamic process for liquid film spreading by lattice Boltzmann method and its experimental verification

Combined with the kinetic model of liquid film spreading, a new numerical method of solid-liquid-gas three-phase flow was developed for the moving of contact line, which was a hybrid method of computational fluid dynamics and lattice Boltzmalm method （LBM）. By taking the effect of molecule force in droplet and the wall surface on liquid film into account, the changing law of contact angle with different surface tensions was analyzed on glass and aluminum foil surfaces. Compared with experimental results, the standard deviation by using LBM is less than 0.5°, which validates the feasibility of LBM simulation on the dynamic process of liquid film spreading. In addition, oscillations are discovered both at the initial and end phases. The phenomenon of retraction is also found and the maximum retraction angle is 7.58°. The obtained result shows that the retraction is proved to be correlative with precursor film by tracking the volume change of liquid film contour. Furthermore, non-dimensional coefficient 2 is introduced to measure the liquid film retraction capacity.     

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.     

偏微分方程的 Lattice Boltzmann 解法

介绍了用ＬａｔｉｃｅＢｏｌｔｚｍａｎｎ（ＬＢ）方法求解偏微分方程的原理和方法，建立了一维ＬＢ模型；通过对典型算例的计算分析，验证了ＬＢ方法的有效性．     

用晶格玻尔兹曼方法研究粒子在脉动压差下的运动

用晶格玻尔兹曼方法模拟脉动流场的形成过程中,发现脉动流场也是一个个的闭合环,但是由于受到入口脉动压差影响,涡流场不是一个完全稳定状态,而是在不断波动变化的.基于最近点法模拟单个粒子在涡流中的运动情况,发现粒子在涡流场中的运动呈现波动的形式,受到入13压强周期性扰动的影响,粒子的水平速度、竖直速度、角速度也呈周期性变化.     

平板有升力绕流的Lattice Boltzmann模拟

介绍了一种不同于传统流体力学数值方法的Lattice Boltzmann流体动力学的含体积力模型，并用此方法模拟了平板有升力粘性绕流，得到了与实验结果一致的升力及阻力系数。     

用晶格玻尔兹曼方法进行气液相变虚拟实验

用晶格玻尔兹曼方法真实地再现了过饱和气体成核凝结成液滴的过程.通过用品格玻尔兹曼方法接近真实地模拟气液相变虚拟实验,创造性地将复杂系统模拟方法用于大学物理虚拟实验,可以有效地给学生创设了建构知识的学习环境.