改进多松弛伪势模型模拟附壁空化泡溃灭演化和壁面润湿性机制的研究

结合改进后的多松弛伪势模型,使用格子Boltzmann方法对附壁空化泡溃灭演化过程进行了数值模拟及分析,着重研究了壁面润湿性对附壁空化泡溃灭的影响规律.首先,对改进后的多松弛伪势模型开展了热力学一致性验证,通过对比气液共存密度的数值解与解析解,选取了满足热力学一致性需求的参数,使得模型能够实现大密度比多相流动的数值计算;然后,对不同壁面润湿性条件下的附壁空化泡平衡接触角进行了数值模拟,分析了壁面润湿性与附壁空化泡平衡接触角的关系,分析表明:随着壁面与流体相互作用强度的增大,平衡接触角逐渐增大,壁面润湿能力逐渐减弱.进一步,对附壁空化泡的溃灭问题进行建模,处理了相应的边界格式,完成了附壁空化泡溃灭过程的数值计算,并分析了不同壁面润湿能力对附壁空化泡溃灭的影响规律;当初始空化泡内外压差及形态相同时,增强壁面疏水性缩短了空化泡溃灭的时间.特别是,壁面润湿性由亲水逐渐变为疏水时,最大溃灭压力先降低后又逐渐升高,而最大溃灭速度随着壁面疏水性的增强而持续升高.研究结果揭示了壁面润湿性对附壁空化泡溃灭的影响规律,为进一步抑制附壁空化泡溃灭的破坏效应及利用空化泡溃灭效应实现工程应用提供了理论指导.

基于伪势格子Boltzmann模型修正PR状态方程

探讨势函数对伪势格子Boltzmann模型基于PR状态方程计算饱和水气液两相密度的影响,发现选取合适的势函数形式虽可使模拟结果与Maxwell理论解吻合良好,但其与实验值的差距却较大,需修正PR方程。基于伪势模型分析文献中的PR型状态方程发现,单独修正引力或斥力项,均无法同时兼顾计算精度和模型适用的温度范围。为此,本文基于该模型同时对PR方程的引、斥力项系数进行修正,得到了一个新的能够准确地描述饱和水气液两相性质的状态方程。

作用力求取方法对多相伪势模型的影响

基于伪势模型将有效密度和势函数结合计算粒子间相互作用力,提出一种改进描述气液相变的格子Boltzmann模型.对不同状态方程控制的单组份流体相变过程进行模拟发现,与单纯由有效密度或势函数计算粒子间相互作用力的方法相比,该模型的结果与Maxwell构建更吻合,且最大伪速度更小,扩大了温度的计算范围,提高了模型的稳定性.基于Laplace定律对界面现象模拟结果进行讨论,模拟结果与Laplace定律吻合.

液态法制备复合材料的多组分伪势LBM模拟

采用修正的多组分伪势模型(EFM)模拟了液态法制备金属基复合材料过程中多孔介质内的浸渗过程,研究了黏度比(M)、壁面润湿性、雷诺数(Re)、孔隙率以及不同分形结构对浸渗过程的影响.结果表明:黏度比越大,浸渗饱和度(S)越低、浸渗时间(t)越短,并且M>90时,黏度比对饱和度和浸渗时间影响可忽略不计,此时接触角的影响较小; Re越小,浸渗饱和度越高、浸渗时间越长,同时壁面润湿性的影响越大;当入口Re一定时,孔隙率越小,分形多孔的渗透率越低,由于孔隙分布不均,造成流体在局部优先浸渗,导致浸渗时间减少、饱和度降低;对不同的分形多孔介质,壁面润湿性的影响有着明显的差异,对A类(标准分形)和C类(固体骨架偏右)的多孔介质,接触角(θ)越大,饱和度越低、浸渗时间越短;对B(固体骨架偏上)和D类(固体骨架偏左上)分形多孔,随接触角的增大,饱和度和浸渗时间均呈现先增加后减小的趋势,并且在接触角小于90°的区间内出现极值.

近复杂几何固壁空泡溃灭的伪势格子Boltzmann建模

格子Boltzmann方法伪势多相模型具有高效性和复杂几何边界实施的简易性。该文采用改进作用力的伪势多相模型,通过优化参数实现最大程度的热力学一致性,进而提高模型的密度比和稳定性。分别从伪速度、网格不变性、Young-Laplace验证等方面研究了改进模型的性能。通过改进的模型模拟了复杂几何固壁附近空泡溃灭过程。分析了空化泡溃灭阶段的密度场、压力场和速度场演化过程,以及复杂几何固壁附近的空泡动力学特性。结果表明伪势格子Boltzmann方法在探索空泡溃灭和复杂几何固壁间的相互作用规律研究中是一种有效的工具。

伪势格子Boltzmann方法的汽化热阱效应模拟研究

采用伪势格子Boltzmann方法的气液相变模型对饱和状态下亲疏水壁面上单气泡的相变传热进行直接的数值模拟.从结果中观察到:加热初期,亲水壁面与发生相变的气液界面之间存在液体微层;疏水壁面的相变则紧贴壁面进行,即疏水壁面近壁处不存在气液界面.模拟亲水壁面在不同时刻热源与气液界面之间的温差变化曲线,以及不同时间段近壁处的热流密度变化曲线,模拟结果表明气液界面的存在对传热起到强化作用.模拟同一温度下不同重力加速度与气泡脱离直径大小的关系曲线,其结果符合Fritz理论,从而对伪势格子Boltzmann方法的气液相变模型进行定性验证.

基于改进伪势LBM的空泡溃灭建模

为研究空化泡溃灭阶段的数值仿真,本文以格子Boltzmann方法为基础,采用改进作用力引进格式,对改变力学稳定性条件相关参数进行优化。通过最优参数提取,提高该多相格子Boltzmann模型密度比,从而最大程度保证热力学一致性及模型稳定性。并通过共存密度曲线对比及误差值计算,确定了参数的最优值。基于改进伪势格子Boltzmann模型对空泡溃灭进行建模,并将计算结果和实验结果对比,验证了空泡溃灭模型的有效性,对实际运用有一定的指导意义。

微孔间距和孔径对PEMFC气体扩散层表面液滴流动传输特性的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是最具潜力的新能源汽车动力装置之一,其性能受到气体扩散层(GDL)表面液滴的形成及动态传输特性的影响。本文以格子Boltzmann方法(LBM)的伪势模型为基础,对液滴从GDL表面浮现、生长和脱落等动态过程进行了仿真模拟,详细分析了微孔间距和孔径对气体扩散层表面液滴动态特性以及流道内压降的影响。研究结果表明在双进水孔的情况下,两个微孔小于某一个微孔间距时,两个液滴会发生融合,融合后的液滴会增大气流通道内的压降,缩短液滴排出的时间,当两个微孔孔距足够大时,两个液滴之间几乎没有相互影响,液滴排除时间相等,且流道内压降随着微孔间距的增加而降低。不同孔径的液滴在GDL表面的运动主要受气体作用剪切力的影响,与下游孔径大于上游孔径液滴的运动周期相比,上游孔径比下游孔径大时,液滴的运动周期更短。

基于格子Boltzmann方法的液滴在圆柱壁面上运动过程研究

采用真实流体状态方程的伪势格子Boltzmann方法大密度比多相流模型,模拟了重力作用下的单液滴在圆柱壁面上的运动过程。计算结果表明,随着圆柱壁面疏水性沿重力方向逐渐增强,液滴运动过程可分为铺展和滑落两个阶段。壁面浸润性分布及其变化率均会影响液滴运动过程,当液滴运动至圆柱下半部分时,其平均速度、最大速度、附着长度和液滴高度等参数随时间变化开始发生分化。此外,当液滴开始及完全运动至圆柱下半部分时,其所受附着力的水平及垂直分量分别达到最大。这些发现为深入理解液滴在圆柱壁面上的运动特性提供了重要的理论支持。

基于格子玻尔兹曼方法的双液滴撞击壁面液膜的热特性演化过程

为了研究并排双液滴撞击覆有液膜的高温壁面过程中壁面热流密度分布特征,基于水热耦合双分布函数格子玻尔兹曼伪势模型,探究了液滴间距、撞击速度和液相黏滞系数在不同时刻对壁面瞬时热流密度分布的影响。结果表明:低温液滴的扩散与下潜导致撞击区和中心射流区的壁面与液膜之间的温度梯度上升,引起撞击区和中心射流区壁面热流密度骤增。撞击区传热形式以对流传热为主,静态区受液冠处速度不连续性影响,其传热形式以扩散传热为主。双液滴撞击速度增大导致液滴下潜和扩展程度加深,液膜内部对流传热增强。双液滴间距增加引起双液滴内侧液冠在液膜内扩展空间增大,造成瞬时壁面高热流密度区域面积增加,利于散热。此外,更大的液相黏滞系数增大了液滴撞击液膜过程中的黏滞耗散,降低低温液滴的下潜程度和撞击区的液膜流场对流强度,导致壁面热流密度峰值减小。

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。

倾斜壁面浸润性梯度驱动液滴运动过程的格子Boltzmann模型研究

基于介观模型的多组分伪势格子Boltzmann方法,模拟了倾斜壁面浸润性梯度驱动液滴的运动过程,研究了壁面浸润性梯度、壁面倾斜角度对液滴运动过程的影响.结果表明,对于一定倾斜角度的壁面,当壁面上浸润性梯度足够大时,液滴能够克服重力的作用实现"爬坡";液滴在运动过程中,其前进及后退接触角与当地静态接触角间存在差值;增大壁面浸润性梯度时,液滴能够获得更快的加速,并且前进及后退接触角与当地静态接触角之间的差值也随之增大;增大壁面倾斜角度时,液滴的运动受到阻碍,前进及后退接触角与当地静态接触角的差值小幅减小.

基于伪式格子玻尔兹曼方法的不同作用力格式的研究

LBM方法在水力学计算中的应用越来越广,但是不同的作用力格式对模拟的精度和稳定性都有很大的影响,对于初学者来说,如何选择适合自己的模型比较困难。在本文中,运用了单松弛格子Bhatnagar-Gross-Krook(LBGK)模型,模型采用指数形式的有效密度势函数计算粒子间相互作用力,分别采用EDM格式和Guo格式两种外力处理格式。通过对两相密度的验证和Laplace定律的验证,以及亚稳态两相分离和区域中心静止液滴这两个算例,定量分析了外力的处理格式对单松弛伪势模型松弛因子、两相密度比和温度的取值范围的影响。现在的研究为初学者选择适合自己问题的模型具有指导意义。

LBM伪势MRT三维模型GPU并行计算的性能优化

格子Boltzmann方法伪势模型算法中的格点间计算未完全局部化,因此在并行计算时需要更多次的全局内存读写、使用更多数量的寄存器和线程同步操作,从而导致GPU并行计算效率下降.本文针对伪势模型并行计算的局限性,基于三维十五速格子结构的多松弛时间伪势模型,以气液相分离为算例,通过合并访问的方式提高全局内存的读写效率;并提出一种＂定向转移＂算法,提高格子边界格点获取邻居格点数据的效率;最后探索不同资源分配中各种因素对计算效率的影响,总结最优资源分配的方法.

考虑壁面浸润性的光滑岩体微裂隙渗流特性数值模拟研究

在工程岩体中存在大量的微裂隙,由于隙宽尺寸微小,其壁面浸润性显著影响着流体在裂隙内的运动特性。为此,基于Shan-Chen伪势模型的格子Boltzmann方法,建立了光滑岩体微裂隙渗流的数值模型,并结合蒸汽中的悬浮液滴和壁面接触角的模拟,证明了该模型的有效性。最后,考虑壁面浸润性、裂隙隙宽、压力梯度及流体黏滞性等因素的影响,研究了重力驱动下光滑岩体微裂隙的渗流特性。研究结果表明:疏水壁面对附近流体的排斥作用产生加速效果,而亲水性壁面则产生阻碍作用,从总体变化趋势看,疏水壁面对微裂隙渗流的影响比亲水壁面更加显著。随着微裂隙隙宽的减小,其壁面浸润性对渗流流速的影响逐渐增大,且壁面亲/疏水性越强,隙宽对其渗流特性的影响越突出。裂隙的平均渗流流速随压力梯度的增加而增大,两者呈线性关系,且壁面疏水能力越强,其直线斜率越大。此外,流体的运动黏度越大,其流动阻力也越大,从而导致微裂隙渗流的平均流速越小,且流体的运动黏度与平均渗流流速呈反比例关系。

基于格子Boltzmann方法的液润表面减阻规律

[目的]近年来,液润表面(LIS)作为一种新型的减阻表面被提出。它将传统疏水表面微沟槽中残存的气体替换为润滑油,进而提高了减阻效果的稳定性。为了更全面地认识液润表面,研究润滑油溶解性对滑移长度的影响。[方法]基于格子Boltzmann方法(LBM)伪势模型,对液润表面的滑移现象进行数值模拟,研究润滑油溶解密度和外部剪切率对滑移长度的影响规律。[结果]液润表面可以产生滑移现象,当润滑油完全混溶或极难溶时,滑移长度与组分间分子作用强度有较好的线性关系。[结论]润滑油难溶于水时,组分间作用力越大,减阻效果越好。且滑移长度不显著依赖于剪切率,润滑油的减阻特性与传统超疏水壁面的减阻特性有相似性。

用格子Boltzmann方法模拟液滴撞击固壁动力学行为

首次用格子Boltzmann方法中的伪势模型对液滴撞击固壁的动力学行为进行了数值模拟。详细研究了液滴在壁面上的流动状态以及各种因素对撞击过程的影响。通过数值模拟得到:壁面的可润湿性越小,液滴越容易发生反弹,液滴的回缩速度越快;液滴的撞击速度越大,所得到的相对直径越大,回缩速度越快;液滴的粘性越小,所得到的相对直径越大;液滴的表面张力越大,液滴越容易发生反弹现象。另外,液滴的最大相对直径与We数满足一定的线性关系,这些结果与前人的理论预测和实验结果完全吻合。

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。

基于格子Boltzmann方法的储层岩石油水两相分离数值模拟

针对岩石物理试验中出现的孔隙流体(油水)两相分离现象,应用格子Boltzmann(LB)方法中的两相不相溶流体的伪势模型,对油水界面动力学行为进行微观数值模拟,分析多孔介质中两相流动的微观特征,并从理论上给出两相不相溶流体界面张力因子Gf值的确定方法。模拟由于表面张力造成的油水两相分离现象,在此基础上研究润湿性对真实储层岩心孔隙流体两相分离的影响,并实现全程动态可视化。研究表明,用LB方法进行储层岩石油水两相分离简便易行、形象直观,是研究流体分离规律和特点的重要评价方法。