多松弛时间格子Boltzmann方法的黏滞吸收边界

当介质的几何结构复杂或者内部存在强物性界面时,传统的地震波正演模拟方法的计算结果往往难以满足实际精细波场计算的要求。多松弛时间格子Boltzmann方法(MRT-LBM)是一种新兴数值模拟方法,具有稳定性好、计算精度高、边界处理灵活等优点。针对MRT-LBM数值模拟时面临的人工截断边界,提出了一种基于多松弛参数的黏滞吸收边界方案。由于边界反射的压制效果对衰减参数很敏感,因此通过大量数值模拟实验选择了最优参数组合,获得了适用性强的吸收边界条件。该吸收边界条件的算法简单,且可扩展性强。最后应用均匀模型和简单非均质模型验证了其吸收效果,并用复杂的BP模型验证了其适用性。

雨水在沥青混凝土中饱和渗流的多松弛时间格子Boltzmann法模拟

为了细观地研究水对沥青混凝土耐久性的影响,准确地描述雨水在沥青混凝土饱和渗流规律,用数字图像方法建立了7种不同孔隙率的沥青混凝土数字模型,利用多松弛时间格子Boltzmann法模拟了雨水在重力作用下在沥青混凝土渗流过程,发现孔隙率约为14.9%时x方向渗透速度突然增大;y方向渗透速度与孔隙率相关性较差;随着孔隙率增大,模型的孔隙通道复杂性越小;孔隙率约为15.6%时x方向渗透系数和y方向渗透系数突增,x方向渗透系数比y方向渗透系数约大2倍。因此,多松弛时间格子Boltzmann法可细观地描述雨水在沥青混凝土孔隙中渗流规律。

惯量松弛因子在格子Boltzmann 方法中的应用

格子Boltzmann方法作为一种较成熟的数值模拟方法被广泛应用到了各个领域,尤其在解决多孔介质问题时有其独特的优越性,但当流动问题过于复杂时计算效率较低.因此本文将惯量松弛因子引入到格子Boltzmann方法中,对二维、三维顶盖驱动方腔流动进行了数值模拟.模拟分别从计算效率、计算精度、以及计算稳定性等方面将使用不同惯量松弛因子所得的结果与基准解进行比较,并进行讨论和分析.结果显示当惯量松弛因子取0.03到0.05之间时能使模拟结果在保持较高精度的同时提高计算效率,而且随着惯量松弛因子的增大计算效率提高得也越快,在工程材料与能源环境领域将有着重要应用.

高速压制成形粉末流动过程的格子Boltzmann方法数值模拟

根据高速压制工艺过程的特点,底部和侧面边界采用反弹与反射的混合格式,顶部通过改变分布函数构造能模拟动态压制过程的边界格式。利用粉体的初始密度和压制最大理想密度建立一个动态的松弛函数来代替格子Boltzmann方法的固定松弛时间。对圆柱体及单级台阶的圆柱体模具的高速压制成形过程进行二维数值模拟,直观显示压制过程中粉末的流动以及应力波的形成与传播过程。模拟结果表明:模具形状对应力波的波形有较大影响;压制完成后,圆柱体压坯最大密度差为12 mg/cm3,密度分布均匀且左右对称,压坯顶部和底部密度较中间部分密度稍大,与实验结果基本相似;圆柱体压坯中存在密度较低的横向窄带区域,揭示成形坯有可能形成分层或断裂。

基于格子Boltzmann方法的非常规天然气微尺度流动基础模型

基于相似准则和气体真实物性参数提出一种格子Boltzmann模型中选取无因次松弛时间的新方法,同时考虑边界努森层的影响对无因次松弛时间进行修正,结合壁面二阶滑移边界条件推导出相应组合反弹/镜面反射边界条件中的关键参数,从而建立了基于格子Boltzmann方法的适用于高温高压条件的非常规天然气微尺度流动模拟新模型。将甲烷气体在无限长微通道中的体积力驱动流动及长直微通道中受进出口压差驱动流动的模拟结果与文献中数值解及解析解进行对比,验证了模型的准确性,并对无因次松弛时间修正式进行优选。结果表明,新模型可以有效表征非常规天然气微尺度流动条件下的滑脱效应、压缩效应、气体稠密性及边界努森层影响;实现了对气体真实流动条件更加全面的表征,可作为微纳尺度非常规天然气流动模拟研究的基础模型。

格子Boltzmann方法中的边界条件

比较并讨论了几种格子Boltzmann方法(LBM)中的边界条件处理方法,对标准的壁面全反弹方法进行了改进,提高了壁面反弹方法的精度.通过采用d2q9模型对Poiseuille流和非定常Couette流进行数值模拟,获得了与分析解比较吻合的结果.针对不同的松弛时间τ和Re数,还给出了采取不同边界条件处理时的收敛精度,验证了小Re数时,LBM可以完全模拟N S方程,由计算发现松弛时间τ接近1时的精度最高,τ较大时,误差较大.

坡面流格子Boltzmann方法与Preissmann隐式差分法模拟

以D1Q5速度模型为例,时间多尺度分析为手段通过待定系数法来确定平衡态分布函数,将格子Boltzmann方法应用于坡面流运动方程;通过理想算例,以解析解为标准,比较了格子Boltzmann方法与应用广泛的Preissmann4点隐式差分法的计算精度。研究表明,对于模拟坡脚断面水深和单宽流量过程,格子Boltzmann方法的D1Q5模型的计算精度高于Preissmann 4点隐式差分法,尤其在退水阶段。对于达到平衡时间之前的坡面水深和坡面单宽流量,格子Boltzmann方法的D1Q5模型的计算精度也高于Preissmann 4点隐式差分法。但对于达到平衡时间之后的坡面水深和坡面单宽流量,格子Boltzmann方法的D1Q5模型在x=1 m点上出现了较大的相对误差,计算精度逊于Preissmann 4点隐式差分法。将格子Boltzmann方法应用于坡面流运动时,弛豫时间选择范围以[1,1.2]s为宜。

用格子Boltzmann方法模拟平板层流边界层流动

本文应用格子 Boltzmann方法模拟了平板层流边界层流动。考虑到平板边界的影响 ,我们对模型进行了修正 ,在标准格子 Boltzmann方程中引入压力修正项。该项满足一定的假定条件 ,从而消除了压缩性引起的偏差。作为算例 ,我们用修正的模型计算了平板层流边界层流动 ,并与经典的 Blasius解及 L avallee的格子气自动机结果进行了比较 ,结果是可以接受的。

基于格子Boltzmann方法的液压激振管道压力冲击的研究

为研究液压激振管道的压力冲击问题,引入一种基于介观粒子的格子Boltzmann方法,建立液压激振管道的多松弛格子演化模型,模拟阀门关闭引起的管道压力冲击;在不同阀门关闭时间、不同流速变化条件下,分析管道压力冲击的变化规律以及管道中速度场对压力的影响。仿真分析结果表明:关阀时间与管道压力波周期的关系是影响管道压力冲击的根本原因;通过与传统有限体积法的模拟结果进行对比,得出格子Boltzmann方法能较好地模拟液压激振中管道的压力冲击,与传统方法模拟结果有较好的一致性,且格子方法的运算效率更高;速度场的分析表明,速度瞬变是压力瞬变的根本原因。两种分析方法对比表明,格子Boltzmann方法方法具有易于编程实现、计算效率高等特点,可以应用于复杂液压激振系统的分析研究。

三维不可压缩流的12速多松弛格子Boltzmann模型

为提高多松弛(MRT)格子Boltzmann模型的计算效率,运用反演法提出了一个求解三维不可压缩流的12速MRT格子Boltzmann模型(iD3Q12 MRT模型).这个模型比通常使用的D3Q13 MRT模型具有更高的计算效率.在数值模拟部分我们把iD3Q12 MRT模型与可压缩性较小的一个13速多松弛模型(He-Luo D3Q13 MRT模型)在精确性和稳定性方面作比较.通过模拟不同的流动,包括压力驱动的稳态泊肃叶流、周期变化的压力驱动的非稳态脉动流、顶盖驱动的方腔流,可以发现iD3Q12 MRT模型模拟以上三种流动时得到的数值解与解析解或与已有的结果符合很好,这说明我们提出的iD3Q12 MRT模型是准确的.在模拟稳态的泊肃叶流时,两个模型计算的速度场的全局相对误差完全相同,且两个模型都具有二阶的空间精度.在模拟非稳态脉动流时,大多情况下是12速模型的计算误差更小,但在脉动流的最大压降增大时, iD3Q12MRT模型先发散,这说明He-Luo D3Q13 MRT模型具有更好的稳定性.在模拟不同雷诺数下的顶盖驱动的方腔流时, He-Luo D3Q13 MRT模型也比iD3Q12 MRT模型更稳定.

过渡区微尺度流动的有效黏性多松弛系数格子Boltzmann模拟

为提高采用二维九速离散速度模型的格子Boltzmann方法 (LBM)模拟微尺度流动中非线性现象的精度和效率,引入Dongari等提出的有效平均分子自由程对黏性进行修正(Dongari N,Zhang Y H,Reese J M2011 J.Fluids Eng.133 071101);并针对以往研究微尺度流动时采用边界处理格式含有离散误差的问题,采用多松弛系数格子Boltzmann方法结合二阶滑移边界条件,对微尺度Couette流动和周期性Poiseuille流动进行模拟,并将速度分布以及质量流量等模拟结果与直接模拟蒙特卡罗方法模拟数据、线性Boltzmann方程的数值解以及现有的LBM模型模拟结果进行对比.结果表明,相对于现有的LBM模型,引入新的修正函数所建立的有效黏性多松弛系数LBM模型有效提高了LBM模拟过渡区的微尺度流动中的非线性现象的能力.

复杂微通道内非混相驱替过程的格子Boltzmann方法

本文采用改进的基于伪势模型的格子Boltzmann方法研究复杂微通道内的非混相驱替问题.这种方法克服了原始伪势模型中计算结果对网格步长的依赖.首先用Laplace定律验证模型的正确性,然后用该方法研究壁面润湿性、粗糙结构、黏性比以及距离对非混相驱替过程的影响.模拟结果表明:与壁面粗糙结构和黏性比相比,壁面润湿性的影响是决定性的因素.随着接触角的增加,驱替效率增加,当接触角大于某一值后,驱替效率不再变化;随着黏性比的增加,驱替效率增加;而壁面粗糙性对驱替过程的影响较复杂,只有凸起半圆的半径在一定范围内增加时,驱替效率增加;距离较小时将促进驱替过程.

基于格子Boltzmann方法的多相态流动模型研究

对多相态流动数值模拟的格子Boltzmann方法及外力模型进行了对比研究.格子Boltzmann方法分别采用了单松弛时间和多松弛时间两种模型.对于多相态流动,正确地引入与处理Boltzmann方程中的外力项是非常重要的问题,这对数值精度和计算稳定性有显著的影响.结合格子Boltzmann方法多种外力模型,成功实现了多相态流体的流动分离的数值模拟.鉴于粒子间相互作用强度的范围和流场稳定后相界面附近的伪速度是计算模型优劣的评判标准.经过数值实验表明,不同计算模型的模拟结果有着明显的差异,多松弛时间模型在多相流态分离模拟中表现出了优异的数值稳定性.

基于添加粘度抵消项的MRT-LBM对高雷诺数流态的研究

该文探究了添加粘度抵消方法(viscosity counteracting,VC)的多松弛格子玻尔兹曼方法(multiple-relaxation-time lattice Boltzmann method,MRT-LBM),即MRT-VC方法可以模拟的最大雷诺数.首先,模拟了经典二维顶盖驱动方腔流来验证模型的准确性,重点分析了雷诺数为5430和7000的流场,并分析了方腔流流场、涡心坐标、轴向速度和速度空间图谱.其次,随着模拟雷诺数的增大,流场内旋涡的数目逐渐增加,且流动依次呈现出稳定流、周期流、不完全混沌流、混沌流等状态.从稳定流到周期流的临界跃迁雷诺数在10000-12500之间,周期流到不完全混沌态流的临界跃迁雷诺数在45000-50000之间,不完全混沌态流到混沌流的临界跃迁雷诺数在95000-100000之间.

基于格子Boltzmann方法的船舶风力助推转子绕流特性

风力转子推进装置节能环保,降低推力成本,有利于船舶行业的绿色发展。基于多松弛格子Boltzmann方法,对并列风力助推转子绕流进行数值模拟。首先模拟单圆柱绕流的流动特性,以验证程序的可靠性,重点探究双圆柱的间距比和转速比对圆柱绕流特性的影响。获取圆柱的升阻力系数以及尾流流型,验证临界转速比的存在。结果显示:旋转可以有效地抑制涡的生成和脱落,当转速比达到临界转速比时,漩涡彻底消失,流场变得稳定;时均升力系数的绝对值和时均阻力系数随转速比的增大分别增大和减小。

钙基吸收剂吸收CO_2过程的格子Boltzmann模拟

近年来,利用CaO吸收烟气中的CO2越来越受到国内外研究者的关注。考虑到单松弛格子Boltzmann模型(LBGK模型)在模拟多孔介质内流动时存在的不足,采用了多松弛(MRT)格子Boltzmann方法来研究多孔CaO吸收CO2的过程,并分析了不同参数,如Damkohler数(Da)、摩尔体积比和CaO颗粒的粒径对CaO转化率的影响。研究结果表明:当Da越大或者摩尔体积比越大时,CaO的转化率会越来越低;另外,如果CaO颗粒的粒径越大,其转化率也将会越低。这些结论定性上与实验结果是吻合的。

基于MRT-LBM方法的大规模可扩展并行计算研究

在大规模三维复杂流动的数值模拟中,针对具有良好数值稳定性的多弛豫时间模型格子Boltzmann方法(MRT-LBM),并结合大涡模拟湍流模型和曲面边界插值格式,分析了在D3Q19离散速度模型下的网格生成、流场信息初始化和迭代计算3部分的可并行性.采用MPI编程模型,从分布式集群的特点和计算量负载均衡的角度出发,分别提出了适合于大规模分布式集群的网格生成、流场信息初始化和迭代计算的并行算法.该并行算法也能有效适用于D3Q15和D3Q27离散速度模型.通过在国产神威蓝光超级计算机上的测试,分别针对求解问题总体计算规模固定和保持每个计算核中计算量一致的2种情况的并行性能分析,验证了该并行算法在十万计算核的量级下仍具有良好的加速比和可扩展性.

多孔介质内流体流动的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法模拟多孔介质内的流动过程,通过预测渗透率,比较了单松弛模型、多松弛模型和熵格子模型在多孔介质计算中的优劣,为研究多松弛模型中各自由参数的影响,选择了12种组合进行模拟,此外,还将大涡模拟与格子Boltzmann方法相结合模拟了多孔介质内高Reynolds数下的流动及流型的转变。结果表明:单松弛模型和熵格子模型预测的渗透率随黏度逐渐增大,而多松弛模型得到的结果随黏度变化很小,另外,多松弛模型中不同松弛参数的组合对结果有较大的影响,通过比较推荐了模拟多孔介质时的最佳组合,计算结果与经验公式吻合较好。大涡模拟与多松弛模型结合较好地预测了多孔介质内流型的转变,Reynolds数越大,多孔介质内的涡越多,并且变大。

一种稳定的浸没边界-格子波尔兹曼方法

基于强制边界条件的浸没边界-格子波尔兹曼方法(Immersed boundary-lattice Boltzmann method,IB-LBM)提出了一种稳定的IB-LBM。在该方法中,采用了具有良好稳定性的多松弛时间(Multi-relaxation time,MRT)模型代替原来的单松弛时间(Single-relaxation time,SRT)模型。因而,在保证无滑移边界条件能够精确满足的同时,该方法的稳定性和适用性都得到了提高。通过对中高雷诺数下二维圆柱绕流算例的模拟,计算所得的数值结果与其他文献中的结果吻合,从而验证了该方法的可行性。

格子Boltzmann方程模拟高雷诺数三维方腔流

为分析方腔流内部流场的特性和验证格子Boltzmann方法模拟湍流的能力,应用标准Smagorinsky涡粘性模型与多松弛时间格子Boltzmann方程(Multiple Relaxation Time Lattice Boltzmann Equation,MRT-LBE)组合对高雷诺数(Re=10 000)三维方腔流进行数值研究,计算了时间平均量,如速度,均方根速度、雷诺应力以及中心断面(y=W/2)处的流线等高线。模拟结果与已有实验和数值模型结果比较可知,MRT-LBE能够精准地计算剪切驱动方腔内流场的变化。另外,将基于图形处理(graphic processor unit,GPU)的计算统一设备架构(Compute Unified Device Architecture,CUDA)并行技术引入到基于MRT-LBE的Smagorinsky模型以提高计算效率,计算效率提高达200倍。