格子Boltzmann方法模拟湍流流动

概述了国内外利用分子动力学研究流动的方法，主要介绍一种新的数值计算方法——格子Boltzmann方法。对此法的原理、模拟的模型及其在湍流流动中的应用进行了综述。分析这种方法在模拟湍流时存在的问题。为湍流流动研究指出了一条新的途径——用分子动力学理论研究湍流流动。     

浮点型涡流发生器CaSO_4析晶污垢沉积的模拟研究

采用污垢析晶污垢模型,对布置有浮点的涡流发生器的矩形通道进行了污垢沉积数值模拟。研究表明:单位面积污垢沉积量随着浮点尺寸的增大而减小,随着浮点排列间距的增加而增大。但当半径一定且浮点间距值小于两倍的浮点直径值时,间距变小不会减少污垢沉积量。将所得模拟结果与相关实验对比,验证了所采用模型的准确性。     

采用面向对象技术对格子Boltzmann方法模拟流场的编程实现

通过采用面向对象技术实现的格子Boltzmann对流场的模拟，展示了面向对象程序设计的优越性，充分说明了面向对象技术在数值模拟领域中的应用前景。     

格子Boltzmann方法模拟土体渗流场研究

格子Boltzmann方法模拟土体渗流场,较传统的数值计算方法具有并行计算能力好、能得到流场细节信息、擅长处理复杂边界的独特优势。通过构建入口边界为非平衡外推格式、出口边界为充分发展格式、左右边界为反弹格式的基于通用渗流模型的LBM模型,编程实现格子Boltzmann方法模拟水在同一级配三种颗粒随机分布的土壤中的渗流情况。通过经典算例验证了所编程序的正确性和有效性,并由得到的渗流场图分析发现,土体颗粒的均匀性和通透性较好时渗流场流线的形状和畅通性也较好。     

翼型涡流发生器对析晶污垢抑制特性的模拟研究

为研究翼型涡流发生器的结构对析晶污垢沉积的影响,利用数值模拟的方法研究在改变其间距、攻角和翼型的情况下,污垢沉积的变化情况。通过引入抑垢率的计算,来表征涡流发生器的抑垢特性。根据实验得出的光片单位面积污垢沉积量与模拟光片得出结果对比,说明验证模拟方法的可行性。通过模拟研究发现在两种攻角下,间距与抑垢率之间的变化关系相同。当间距为10至60mm时,抑垢率随间距的增加而减小。当间距为60至80mm时,则是反向变化。在相同攻角下,流动方向投影面积与抑垢率之间呈现同相变化。投影面积的影响效果与间距相关。     

用格子Boltzmann方法模拟液滴合并过程

用格子Boltzmann方法中的伪势模型对两个液滴的合并过程进行了数值模拟。详细研究了两液滴能否合并临界尺寸和液滴合并过程中液桥的形成与演化的关系，并研究了表面张力对合并速度的影响。研究结果发现当两个液滴之间距离小于2倍界面厚度时，两个液滴在不受外力的作用下能够自动合并；液桥的宽度与演化时间有一定的指数关系；表面张力越大，合并速度越快，这个结果与前人的理论预测和实验结果一致。     

格子Boltzmann方法模拟层流对冲预混火焰

运用格子Boltzmann方法对气体燃烧进行了模拟,其中包括了对流、扩散和反应等过程．在模拟中假设化学反应对流场没有影响,因而流场、温度场和组分场没有相互耦合,可以分别用LB方程进行求解．选择层流对冲火焰作为对燃烧的基础计算模拟．该模型的几何特征是有两个相对的相同燃烧喷口喷出燃料与空气的混合气体,而形成稳定的流场．计算结果与传统的Navier—Stokes方法计算得到的结果进行了对比,结果能够较好地吻合,说明格子Boltzmann方法可以对燃烧进行模拟．     

部分填充多孔介质通道内流动的格子Boltzmann研究

通过编写格子Boltzmann程序来对部分填充多孔介质的通道内的流体流动进行模拟,在雷诺数为200的条件下改变了障碍物形状排列,包括由全圆柱以及方柱与圆柱两种障碍物阵列,得到不同工况下的流场;此外在全圆柱障碍物阵列条件下模拟了雷诺数为200,300,500,600,800时的流动情况,并取近出口和近入口两个断面,得出断面流速曲线,通过观察曲线变化分析得出在多孔介质层的断面速度变化情况与纯流体区域变化情况相反,结构复杂的障碍物阵列对于流体的阻力更大。     

重力场下通道内毛细上升过程的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法中Shan-Chen伪势模型对重力场下通道中液体毛细上升过程进行了数值模拟,得到其流场分布,分析了通道个数、通道宽度与通道放置角度对通道内液柱上升过程的影响。数值结果表明,不同个数的通道毛细抽吸的最终高度差异不大,但通道个数对每个通道内液体毛细上升过程有一定影响。在重力场下,通道内液体沿通道方向的毛细上升长度随着通道倾斜角度的增大而增大,液柱稳定的竖直高度先增大后减小。     

液滴在化学非均匀表面上铺展的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法模拟二维液滴在非均匀表面上的铺展。非均匀表面由两块面积相等但润湿性不同的均匀表面拼接而成,左半部分为亲水表面(θeq=35.00°),右半部分为疏水表面(θeq=115.00°)。液滴初始为圆形,位于亲疏水表面交界处。由于表面两侧平衡接触角θeq相差较大,铺展的Young驱动力FY=γlg(cosθeq-cosθD)有显著差异,因而液滴左右呈现出不同的铺展规律。模拟结果显示,铺展可分为三个阶段:第一阶段,液滴向两侧铺展直至疏水侧铺展速度为0,但亲水侧铺展速度始终快于疏水侧;第二阶段,整个液滴向亲水侧运动,直到液滴右侧到达亲疏水表面交界处;第三阶段,液滴在亲水表面铺展直至平衡。当液滴初始位于亲水侧或疏水侧,且其质心与亲疏水表面交界处的横向距离小于50lu时,液滴呈现出三种不同铺展形式,然而由于亲水侧更大的Young驱动力,最终的平衡液滴均位于亲水侧。     

EXAMINATION OF THE LBM IN SIMULATION OF MICROCHANNEL FLOW IN TRANSITIONAL REGIME

The gas flows in micro-electro-mechanical systems possess relatively large Knudsen number and usually belong to the slip flow and transitional flow regimes. Recently the lattice Boltzmann method (LBM) was proposed by Nie et al. in Journal of Statistical Physics, vol. 107, pp. 279–289, in 2002 to simulate the microchannel and microcavity flows in the transitional flow regime. The present article intends to test the feasibility of doing so. The results of using the lattice Boltzmann method and the direct simulation Monte Carlo method show good agreement between them for small Kn (Kn = 0.0194), poor agreement for Kn = 0.194, and large deviation for Kn = 0.388 in simulating microchannel flows. This suggests that the present version of the lattice Boltzmann method is not feasible to simulate the transitional channel flow.     

二维T型微通道内液滴生成与梯状网络内液滴相位同步问题数值模拟

基于格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)的颜色梯度模型,研究了T型微通道内液滴生成过程,分析了连续相毛细数和两相流量比对液滴生成尺寸和液滴生成频率的影响。在此基础上,研究了微流控梯状网络中两个弹状液滴相位同步问题,分析了连续相毛细数、旁通管数目和液滴初始相位长度对液滴相位同步程度的影响。计算结果表明,T型微通道内连续相毛细数和两相流量比对液滴生成尺寸和液滴生成频率有很大影响;在液滴相位同步问题上,连续相毛细数对液滴相位同步程度有较大影响,液滴初始相位长度和旁通管数目对液滴相位同步有一定程度改善,但不能实现液滴相位的完全同步。     

半球型涡流发生器结构对污垢沉积影响

通过数值模拟的方法,研究半球型涡流发生器的结构参数变化对析晶污垢沉积过程的影响。考察了球窝半径、球凸半径、球窝与球凸圆心距以及布局对污垢热阻的影响。结果表明,经过模拟得出球凸半径变化对污垢热阻的影响高于球窝变化产生的影响。球窝前置时对污垢热阻的影响大于球凸前置时的影响。圆心距对污垢热阻的影响呈现波动变化的趋势。     

基于Lattice Boltzmann方法的济南市城区暴雨洪水模型

为能够较好地模拟济南市遭遇强降雨时\"南水北淹\"的洪水运动特点,构建了一个既考虑淹没又考虑街巷洪水的城市雨洪模型,并在模型中的水动力学计算部分采用了Lattice Boltzmann方法。为判断模型精度,将模型的计算结果与该模型唯一控制站点小清河上黄台桥水文站的实测数据进行比较,并将重要道路上易受淹点的调查水深作为参考数据。结果表明,与实测数据和调查水深相比,该模型模拟结果较好,且由于在街巷洪水、河道汇流计算部分采用了Lattice Boltzmann方法,计算效率较传统的水动力学计算方法得到大幅提高。     

基于格子玻尔兹曼方法的横向交变质量力对核沸腾影响的数值分析

采用格子玻尔兹曼方法的单组份伪势模型与有限差分耦合的混合热格子玻尔兹曼模型,对在横向交变质量力作用下的单汽泡核态沸腾过程进行了研究,探讨了在不同接触角和过热度下,横向交变质量力的振幅和交变频率对汽泡脱离底壁的脱离特性的影响。结果表明,施加横向交变质量力会造成汽泡脱离直径减小,同时加速汽泡脱离底壁。其次,壁面越疏水,汽泡的脱离行为受到横向交变质量力的影响越大;壁面过热度越大,汽泡的脱离行为受到横向质量力的影响也越大。另外,在模拟工况下,当横向交变质量力的振幅大于0.01时,添加横向交变质量力会使汽泡的脱离直径与脱离周期均减小;而横向交变质量力的交变频率仅在某一频段时,使得汽泡的脱离周期减小。     

基于混合热格子玻尔兹曼模型的液滴蒸发数值模拟

采用格子玻尔兹曼方法(LBM)的单组分伪势模型与有限差分耦合的混合热格子玻尔兹曼模型(TLBM)对液滴蒸发过程进行了研究。首先,通过对液滴在方腔内蒸发过程进行模拟,验证了所采用计算方法及程序的有效性。随后,模拟了液滴撞击高温壁面后的蒸发过程,研究了壁面温度、液滴邦德数和液滴雷诺数对蒸发过程的影响。结果表明,壁面温度、液滴邦德数和液滴雷诺数的增加均会造成液滴撞击高温壁面后蒸发速率的增大。     

一维热扩散方程的格子Boltzmann方法分析

针对一维热扩散方程的数学特点,建立了热扩散方程离散速度模型,构造了其平衡态分布函数,采用Chapman-Enskog展开和多尺度技术,构建了用于求解一维热扩散方程的D1Q3模型,进行了验证性数值实验。实验结果表明,模型的数值解与文献的解析解吻合良好,其两者的误差随网格细化而大幅度减小,从而说明了本文构建的格子Boltzmann模型可用于求解一维热扩散方程。