基于LBM的通道内多孔介质交界面滑移效应研究

多孔介质与流体所构成复合区域内流体流动现象在自然界及社会许多行业之中广泛存在,研究含多孔介质通道内流体流动的问题具有重要意义。文章基于格子Boltzmann方法对局部填充多孔介质的通道内流体流动进行模拟,研究了不同工况条件下对多孔介质区域与纯流体交界面处的滑移效应变化规律,并采用编程进行数值模拟及结果验证,分析了不同Re数和孔隙率对多孔介质区域与纯流体交界面处的滑移效应。结果表明:速度滑移系数α始终为正,应力滑移系数β始终为负值;速度滑移系数α和应力滑移系数β的数值随Re数和孔隙率ε增大时的变化趋势不同,但滑移效应的变化趋势相同,即速度滑移效应和应力滑移效应都随Re数的增大而增强,随孔隙率ε的增大而减弱。     

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.     

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。     

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.     

双重分形多孔介质孔隙率的研究

根据双重分形多孔介质孔隙分布分形维数D与孔隙迂曲分形维数DT的定义和计算公式,推导了多孔介质孔隙率的计算公式.通过孔隙率计算公式的函数图像分析了双重分形维数D和DT的变化对孔隙率的影响,分析结果表明孔隙率随多孔介质双重分形维数D和DT的增加而增大;多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率增加的就越慢;当D＋DT〈3时,多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率就越大,但当D＋DT〉3时则相反,多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率反而越小,D＋DT=3是特殊点,令D＋DT→3时的孔隙率极限值为它的孔隙率.     

基于孔隙尺度的方腔内多孔介质融化模拟研究

由于单松弛(LBGK)格子Boltzmann模型在用反弹格式处理无滑移边界时存在缺陷。基于孔隙尺度,采用多松弛(MRT)格子Boltzmann模型研究封闭方腔内多孔介质的自然对流融化过程,其中,通过焓方法考虑相变潜热。分析了Rayleigh数和Prandtl数对融化的影响。结果表明:采用的多松弛模型能很好的预测导热和对流融化过程;多孔介质的导热融化界面不再与垂直壁面平行,自然对流融化界面呈现不规则形状;Rayleigh数和Prandtl数对多孔介质的融化有较大影响。     

多孔介质方程的格子Boltzmann模型

对一类非线性多孔介质方程构造了格子Boltzmann求解模型。由LBGK模型出发,通过合理补充演化方程中的源项分布函数以及适当选取局部平衡态分布函数,恢复出宏观的非线性多孔介质方程。几个典型多孔介质方程的数值模拟验证了模型精度和有效性。     

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．     

波壁管中脉动流动的数值模拟

利用数值模拟的方法,文中对脉动流动下波壁管内流体的流动和换热特性进行研究,分析了脉动参数雷诺数Re、斯德鲁哈尔数St以及振动分率P对波壁管中流体的传热和阻力特性的影响.结果表明:Re、St与P对流体的换热特性均有影响,在脉动流场下,波壁管内流体的传热强化幅度随雷诺数Re的增大而先增大后减小;与斯德鲁哈尔数St以及振动分率P均成正比关系.随着St的增加,摩擦阻力系数在较低St时几乎不发生变化,而在较大St时明显发生变化,但随着St的增加,平均摩擦系数f_(m)几乎不发生变化;平均摩擦系数f_(m)随振动分率P的增加而逐渐增大,随雷诺数Re的增大而逐渐减小.     

基于格子Boltzmann方法后台阶流动特性的研究

格子玻尔兹曼方法（LBM）是近几十年来发展的一种介观尺度的数值模拟方法,具有良好的处理复杂边界的能力和并行计算能力。利用LBM对后台阶流动进行了数值模拟,得到了不同雷诺数下后台阶流动的特性。研究结果表明,在低雷诺数情况下,台阶后再附着点与分离点的距离随着雷诺数的增加而变大;在高雷诺数情况下,台阶后再附着点与分离点的距离随着雷诺数的增加而增加,增长幅度逐渐降低,当Re=8 000时,再附着点与分离点之间的距离趋于稳定,并达到峰值;随着雷诺数的继续增大,这个距离开始减小,最终趋于一个定值。对于高雷诺数下的后台阶流动,采用LES⁃LBM的方法进行模拟,与前人的实验数据吻合得很好,表明LBM⁃LES模型对高雷诺数后台阶流动进行模拟具有较高的精确性。     

摇摆条件下窄通道内单相水流态转捩特性

矩形窄通道广泛应用于紧凑式换热器中,其内单相流动流态转捩特性会受到摇摆运动的影响.结合流迹显示技术,对摇摆条件下矩形窄通道内单相水从层流向湍流转变临界点附近的流动特性进行了实验研究.结果表明稳态条件下临界Re为2 550左右.摇摆条件下当Re小于2 400时,流态显示为稳定的层流,Re大于3 500时,流态为湍流,摇摆对稳定的层流区和湍流区流态没有影响;Re为2400～3 500之间时流动处于过渡区,摇摆对其流态转变有一定影响.在临界点附近摇摆振幅越大,流态转捩越容易发生;摇摆周期对流态转捩影响很小.摇摆运动改变系统重位压降及产生附加压降,从而对流态转捩的影响不可忽视.     

中高开孔率多孔板高温环境下阻力特性试验研究

为了研究实际工作环境下中高开孔率多孔板的阻力特性,针对0.3≤开孔率≤0.68、0.21≤相对厚度≤0.5的多孔板,采用与实际烟温相似的空气介质进行阻力特性研究.通过试验发现,多孔板压降随着雷诺数的增大而增大,当雷诺数增大时,不同开孔率多孔板的压降差距逐渐增大;气体温度和雷诺数对多孔板阻力系数几乎无影响.多孔板开孔率与相对厚度对阻力系数的影响较大,阻力系数均随着开孔率和相对厚度的增大而降低.     

孔隙率对Al2O3高孔隙率多孔介质EHC的影响

新型多孔介质燃烧技术主要采用泡沫陶瓷 ( Ceramic Foams)、波纹状陶瓷 ( Fabric LamellaStructure)等高孔隙率多孔介质。基于气、固相局部热平衡假设的有效导热系数 EHC( EffectiveHeat Conductivity)描述了气流与固体骨架中导热、弥散和热辐射多种传热方式的综合效果 ,是一个重要的传热特性 ,对其研究非常不足。通过实验与数值模拟确定不同孔隙率 Al2 O3 陶瓷的 EHC:基于测定的温度分布 ,给定 EHC的初值 ,采用有限体积法进行流场数值模拟 ;比较测量与计算的温度均方根差 ,通过对 EHC搜索寻优 ,间接确定泡沫陶瓷的有效导热系数。结果表明 Al2 O3 陶瓷的EHC随温度增加而增加 ,对速度不敏感 ;孔隙率高的陶瓷其 EHC较大。给出试样 EHC与温度和空管速度的拟合式 ;将颗粒床 EHC的 Z&B模型外推到 Al2 O3 高孔隙率陶瓷 ,并给出 EHC预示结果     

均匀平面剪切流作用下圆柱体的涡激振动

对二维平面均匀剪切流作用下,弹性支撑圆柱体在横向和流向运动的涡激振动进行了数值模拟．数值计算实现了雷诺数在[2000,5000]内,圆柱体在不同剪切率[0．01,0．05]条件下的涡激振动．圆柱体的横向振幅、运动轨迹、振动频率和升力系数及位移时历曲线的计算结果表明,对于不同的雷诺数,存在剪切率的“锁定区间”．雷诺数较小时,剪切率的锁定区间较小,随着雷诺数的增加,剪切率的锁定区间增大．在剪切率的锁定区间内,横向振幅增大,脱离剪切率锁定区问后,横向振幅迅速下降．计算结果发现圆柱体的运动轨迹可以完全不同于普遍认可的“8”形轨迹,在剪切率锁定区间内圆柱体运动轨迹似“小雨点”的外形,这是在平面横向剪切流条件下得到的圆柱体运动的新轨迹．     

基于动态Smagorinsky-MRT-LBM的圆柱绕流湍流研究

采用多松弛格子玻尔兹曼与大涡模拟的动态Smagorinsky亚格子涡粘模型相结合的方法对圆柱绕流湍流进行模拟,研究300至10 000不同雷诺数下的单圆柱绕流湍流涡的周期性变化。研究结果表明:计算所得的斯考特数值和阻力系数值与文献中实验结果以及有限元仿真结果基本一致,说明该方法对于不同雷诺数的湍流模拟是合理的。     

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.     

管壳式换热器流动与传热的三维数值模拟

应用计算流体力学软件FLUENT对一小型管壳式换热器的流动与传热问题进行了三维数值模拟。换热器壳体直径为130mm,12根20mm×1 500mm的换热管正方形排列,折流板为30%缺口的弓形折流板,模拟了3种不同折流板间距的情况。模拟过程采用雷诺应力湍流模型,压力速度耦合选用SIMPLEC格式,压力方程的离散选用Standard格式,其他方程的离散均选用QUICK格式。数值模拟结果表明:减小折流板间距对总体传热系数的增加不太明显,但却显著增加了壳程的流动阻力。最后应用Bell法对3种不同折流板间距的数值模拟结果进行了校核,他们之间的最大误差为6.57%,表明数值模拟结果准确可靠。     

绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性

为深入了解通气两相流的流场结构及水动力特性,在循环水洞中利用高速全流场显示技术及六分力天平测量技术,对绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性进行实验研究.结果表明:弹身区域流场呈均匀分布的水气两相混合状态,流动稳定,非定常特性不明显;尾部区域流场较为紊乱,非定常特性明显,尾部空泡涡的周期性脱落引起模型阻力系数出现周期性脉动现象.绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性与雷诺数及通气率有关.通气率的增加可降低由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度,而对尾部涡的脱落频率无明显影响;随着雷诺数的增加,由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度减小,尾部涡的脱落频率增加.     

渗流无量纲运动方程的分析

利用渗流流体力学理论研究流体的渗流问题．在渗流运动方程的基础上，利用无量纲参数写出渗流的无量纲运动方程，并对渗流的无量纲运动方程进行分析．通过分析与比较可知，渗透阻力项在渗流运动方程中起着主导作用，而粘性力项和惯性力项相对于渗透阻力项通常都是非常小的，一般可以忽略不计；许多实际渗流一般不是小雷诺数流动．     

洪湖油田低渗透油藏渗流特征研究和应用效果

洪湖油田为中低孔隙度低渗透率油藏,根据油田特征,经过室内实验研究了单相、两相渗流规律,确定流体在多孔介质中的流动特征,并分析了水驱油实验成果,确定了最佳驱油效率.单相油渗流实验证明了洪湖油田低渗透岩心存在启动压力梯度;两相实验测试了油水两相相对渗透率曲线,对油藏开发后期的含水规律进行了预测.