格子玻尔兹曼方法及其在大气湍流研究中的应用

文章的目的是对格子玻尔兹曼方法进行系统的介绍,格子玻尔兹曼方法(Lattice BoltzmannMethod)的出现直接来源于20世纪60年代的元胞自动机(Cellular Automata)思想,而这一方法用于解决流动现象时,又可以追溯到19世纪的分子运动论,求解的是Boltzmann提出的玻尔兹曼输运方程,因此将这一方法称为格子玻尔兹曼方法,之前也被称为格子气自动机(Lattice Gas Automa-ton)。该方法多用于研究复杂现象,如材料晶体凝聚时的生长过程、城市土地利用的演化等方面。在20世纪70年代由Hardy、Pomeau和Pazzis建立了第一个用于研究流体运动的格子气自动机,此后,这一方法被广泛用来模拟各种流动问题,诸如二相流、孔隙介质中的渗流等,并根据这一方法开发了相应的商业软件PowerFlow。同时,格子玻尔兹曼方法由于其在微观水平描述运动的特点,成为研究湍流的一个很好的数值计算工具,特别是用其进行直接数值模拟(DNS)计算,成为继传统的差分法、有限体积法和谱方法之后的又一有力的手段。而作为大气运动的一个主要现象的大气湍流,比普通湍流更加复杂,在这里着重介绍了大气湍流的特点和应用格子玻尔兹曼方法模拟湍流的发展过程。

格子气自动机模型的影响因素

以具有代表性的 13-Bit格子气自动机模型为对象 ,通过大量的数值实验 ,分析了影响格子气自动机模型模拟结果的几个主要因素 :迭代次数、赋值方式、统计次数及粒子密度。对 13-Bit格子气自动机模型 ,沿主流方向赋初值需迭代 30 0时步 ,沿所有方向随机赋初值需迭代 30 0 0时步 ,模拟才达到稳定 ;统计次数需在 4 0时步以上 ;粒子密度需在 1.0～ 3.0之间。分析这些影响因素对格子气自动机模型的深入运用奠定了基础。

13-Bit格子气自动机模型的并行运行

采用按“位”编码和计算 ,把流体粒子的运动和碰撞过程处理为运动状态的转贮和节点信息的回送两个过程 ,得以实现并行运算 ,建立了计算速度快、可包含节点量较大的 13 Bit格子气自动机模型的运行机制。焦炭多孔介质流体流场模拟结果表明该机制是正确有效的。

13-Bit多速格子气自动机模型的理论分析及模拟

运用流体离散运动论方法对 13-Bit多速正六边形格子气自动机模型进行了理论分析 ,在由格子Boltzmann方程求得矩方程的基础上 ,根据Chapman -Enskog展开方法 ,导出了该模型的宏观热流体力学方程 ,从理论上证明了所建模型对于热流体力学问题描述的正确性。并给出了平板非等温流体绕流流动现象的模拟结果。

岩石破坏机理的LCA模型数值模拟

基于弹塑性损伤理论,结合细胞自动机以及格构模型的优点,提出了格构细胞自动机模型,通过模拟岩石破坏过程的基本思路、模拟岩石非均质性、破坏过程声发射等具体方法,用于模拟岩石的劈裂破坏机理,定量地给出了预制裂纹岩石劈裂应力—应变曲线和声发射数。跟无预制裂纹试件相比,有预制裂纹的劈裂试样在劈裂过程中,虽然开始稍稍偏离了加载方向,但由于预制裂纹的导向作用,裂纹通过预制裂纹,重新回到了加载方向,直至贯通。从试验过程和结果上看,模拟效果是比较好的。

一种可以用于干燥微观领域研究的新方法

分析了当前干燥学科发展的新态势及干燥微观领域的研究状况,简单介绍了格子气自动机法的发展状况及FHP模型与扩展模型LG的模型原理,并用LG模型对液体的相变过程进行模拟,从模拟结果可以清晰地看到气泡的产生、生长、分解过程。在模拟相变过程的基础上,分析了LG模型应用在干燥微观领域研究的可行性。

用FHP模型格子气方法对复杂边界条件的数值模拟

介绍了格子气自动机模型的特点,建立了具有完全对称性的7-Bit正六边形格子气自动机模型。应用该模型通过对典型管排流和隔板流问题的计算模拟,其结果清晰的表示出流体在流场内的流动细节,证明了模型的正确性和有效性。

格构细胞机模型在岩石劈裂过程中的数值模拟研究

基于弹塑性损伤理论,结合格构细胞机以及格构模型的优点,提出了格构细胞机模型,用于模拟岩石的劈裂破坏机理并取得了较好的结果.