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。     

絮凝剂作用下黏性细沙絮凝沉降规律研究

细颗粒泥沙广泛分布于河流、水库、河口及海岸水体中,其絮凝沉降及输移规律是泥沙运动力学中一个重要课题。采用自制沉降实验装置,实验观测了不同絮凝剂浓度、不同浓度黏性细颗粒泥沙的絮凝沉降过程,分析研究了黏性细沙絮凝沉降规律。结果表明：聚合氯化铝(PAC)絮凝剂比较稳定,PAC溶液浓度对不同泥沙浓度絮团沉速的影响均较小,最佳投放浓度可统一采用0.08 g/L。阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)絮凝剂对泥沙浓度的反应最为敏感,絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为3个稳定段和2个敏感段,稳定段CPAM最佳投放浓度分别为0.08、0.10和0.12 g/L,敏感段CPAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为2个稳定段和1个敏感段,稳定段APAM最佳投放浓度不随泥沙浓度的变化而变化,分别为0.08和0.10 g/L,敏感段APAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。絮凝剂APAM的絮凝效果最好,絮凝剂CPAM的絮凝效果次之,絮凝剂PAC的絮凝效果较差。     

黏性细颗粒泥沙絮凝及沉降的三维模拟

鉴于试验观察黏性细颗粒泥沙悬浮体系絮凝-沉降过程存在技术困难，尝试以分形生长理论为基础，使用改进的受限反应絮团聚集(RLCCA)模型，在计算机上模拟这一复杂过程。模型考虑了絮团的分形结构与可渗透特性、泥沙浓度对悬浮液黏性的影响等因素，复演颗粒、絮团在重力沉降和布朗作用下的三维运动及相互碰撞并黏结的现象。在对模拟数据的统计分析基础上，讨论了絮凝-沉降过程的各种特性，结果表明：碰撞效率系数不同时，絮凝发育过程存在相似性。     

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。     

高浓度黏性泥沙絮团微观结构及其对沉降特性的影响

为探究絮团微观结构特征与高浓度黏性泥沙沉降特性间的关系,以高岭土沉降实验为基础,采用电镜扫描技术分析絮团结构,从絮团微观结构角度解释黏性泥沙沉降过程中浓度分布、胶凝点浓度等特性,结合实验数据讨论常见的孔隙形态参数。结果表明:絮团的微观结构与黏性泥沙的沉降特性密切相关,沉降过程中垂向浓度分布、胶凝点浓度等特性均可通过对絮团内部结构的分析得到合理解释;孔隙分形维数、孔隙圆度可作为量化评估孔隙结构的有效参数;由于孔隙的形态、数目、大小的差异,孔隙率的大小与孔隙分形维数、孔隙圆度的关联度不大。     

黏性泥沙絮凝研究综述与展望

絮凝是黏性泥沙最重要的特性之一,也一直是泥沙基本理论和运动规律研究的重点和难点课题,对絮凝过程与机制的研究是理解、模拟和预测黏性泥沙及其携带物质输运规律的关键.总结了黏性泥沙絮凝机制、絮团特性和影响絮凝因素方面的研究成果与进展,并分析提出了现有研究的不足,主要有三方面:对黏性泥沙生物絮凝过程与作用机理的精细化研究薄弱;...     

温度对黏性泥沙絮凝影响的机理研究

用格子玻耳兹曼方法,引入胶体作用理论(e Xtended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek theory,XDLVO理论)模拟不同温度下两个黏性泥沙颗粒静水不等速沉降絮凝过程。结果表明,温度升高缩短泥沙絮凝时间,促进絮凝。同时分析了泥沙颗粒的运动轨迹、相对运动速度和颗粒间近距离作用力,探讨温度对泥沙絮凝的影响机理。分析结果认为温度升高一方面减小水体黏性系数,加大泥沙沉速,加快泥沙颗粒相互靠近;另一方面,增大泥沙颗粒表面吸附水膜厚度的同时,也增大泥沙颗粒之间的近距离排斥力,对吸附水膜厚度和排斥力影响的综合结果也促进了絮凝。     

黏性泥沙絮凝研究进展

黏性泥沙颗粒的絮凝特性表现出与粗颗粒泥沙迥异的物理及输移特性,因此黏性泥沙絮凝是河流海洋泥沙理论研究中的热点之一。总结了黏性泥沙絮凝在试验研究和数学模型方面的研究成果,介绍了最新的相关研究进展,并分析了现有研究中存在的问题。认为目前存在的主要问题有:①有关黏性泥沙的试验研究以单因素影响试验为主,缺少多因素影响研究;②对泥沙絮团的三维结构形态研究不足;③相关数学模型只能描述定性规律。今后应在黏性泥沙相似准则、多因素影响试验、絮团微观结构观测仪器开发、大尺度三维絮凝数值模拟等方面加强研究。     

模拟黏性波二维格子Boltzmann方法的改进

运动学边界条件格子Boltzmann模型(Lattice Boltzmann Equation-Kinematic Boundary Condition,LBE-KBC)中对于流体静压梯度项的处理很容易导致非物理振荡。该文改进了LBE-KBC方法,将流体静压梯度项整合到格子Boltzmann方法的平衡分布函数中,从而从根源上消除了模式的非物理振荡。通过理论分析表明,改进模式的平衡分布函数所导致的误差为二阶小量,可作忽略。通过黏性驻波模拟,结果显示改进模式的精度与原LBE-KBC方法基本一致;通过波沿潜堤的传播模拟,结果显示改进模式能够成功再现波的浅水作用、非线性和衰减现象,具有一定的实用性。     

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。     

絮团与颗粒不等速沉降碰撞研究

絮团和单个颗粒的碰撞、粘结规律对于深入理解粘性泥沙不等速沉降引起的絮凝具有重要意义。在暂不考虑絮团与颗粒间相互作用力的条件下,用不同密度球形颗粒近似描述絮团,利用格子Boltzmann方法模拟了不同密度絮团和单个颗粒静水沉降过程,分析了絮团和颗粒相对运动轨迹和碰撞效率。模拟结果表明,絮团和单个颗粒不等速沉降碰撞过程中,当较大粒径的絮团沉降速度快但密度较小时,单个颗粒相对于絮团运动可能形成封闭轨迹,絮团和颗粒间粘结概率几乎为零,絮团很难通过捕捉单个颗粒而形成更大絮团。     

格子Boltzmann方法在模拟液滴冲击液面中的应用

应用格子Boltzmann两相流方程,结合水平集界面重构技术,提出两相流的数值模型。采用五阶WENO格式和三阶TVD Runge-Kutta格式来求解水平集函数的输运方程。在不计重力的条件下,对液滴平动进行了数值模拟,在计算了800个时间步后,平动的液滴仍然保持原来的形状。在考虑重力的条件下,对液滴在空气中自由下落、液滴冲击液面的全过程进行了数值模拟,精细地刻画了液滴和液面界面的变化过程。数值模拟结果与物理现象一致。     

水体紊动对黏性泥沙絮凝影响研究

紊动水流中黏性泥沙絮凝沉降对河口海岸黏性泥沙输送过程起着十分重要的作用。建立了均匀各向同性紊流中黏性泥沙絮凝沉降的三维格子玻尔兹曼数学模型,模拟不同紊动剪切率对黏性泥沙絮凝过程的影响。模拟结果表明:随着紊动剪切率的增加,计算区域内絮团形成所需的时间先减少后增加,黏性泥沙沉降速度也呈现先减小后增大的趋势,剪切率的转折点在200s-1左右,与已有观测结果一致。模拟结果反映了低强度水体紊动对絮凝有促进作用而高强度水体紊动对絮凝有抑制作用。     

液滴冲击流动液膜的格子Boltzmann模拟

采用单相格子Boltzmann方法模拟了二维液滴冲击流动液膜的含自由面的流动过程。由定义的质量与密度的比例系数来追踪气液自由面的变化。表面张力通过计算界面格点处作用在流体上的汽液相间作用力加入到模型中。数值模拟了速度比(液膜流动速度与液滴撞击速度的比值)和液膜相对厚度(液膜实际厚度与液滴直径的比值)不同时,液滴冲击流动液膜的过程。与液滴冲击静止液膜时的计算结果和理论分析结果进行对比,分析了液滴冲击流动液膜后产生的流动现象及其内在机理,产生的水花的铺展半径和溅起高度随时间的变化规律,并讨论了飞溅产生条件。     

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。     

基于LBM的高层楼群三维流场数值模拟

该文研究了引入湍流模型的三维格子Boltzmann模型,并用此模型对某住宅小区高层楼群的三维流场进行了数值模拟。在数值模拟中,主要研究了几个不同风向来流时楼群周围速度场的分布情况。同时,利用空气动力学原理,对楼房布局的合理性进行了分析,所得出了的结论可作为小区楼群规划和通风设计的参考。