声波衰减的格子-Boltzmann方法模拟

采用格子-Boltzmann方法分别模拟了一维及二维通道内平面声波的衰减过程.模拟中,声源给定速度及密度,出口采用出口边界条件.一维模型下,y方向采用周期性边界条件;二维模型下,y方向采用无滑移边界条件.模拟结果表明:在介质黏性以及壁面摩擦(仅二维)的作用下,声波沿着传播方向逐渐衰减,速度振幅及密度振幅越来越小,压力梯度呈负指数形式减小;随着波长的增大或介质黏度的减小,声波的衰减减缓,压力梯度越小.模拟获得的速度分布、压力梯度分布以及衰减系数与理论值吻合良好.最后,给出了声源的激发声压级.

封闭方腔自然对流的格子-Boltzmann方法动态模拟

以压力分布函数和内能密度分布函数为基本演化变量,构建了一个新的不可压缩的双分布函数热格子-Boltzmann模型.对封闭方腔内自然对流进行数值分析的结果表明,该模型可以克服原模型的可压缩效应,并在一定程度上提高了计算结果的数值精度.以此模型动态模拟封闭方腔自然对流的形成和演化过程的结果表明:Ra越大,流场的演化越复杂,稳定状态下方腔内涡的数量越多,高低温壁面附近的换热越强烈,压强逐渐呈现出中心低,上、下壁面附近高的对称分布.

毛细管内多相脉动流动的格子-Boltzmann模拟

基于伪势模型理论,建立毛细管内汽液两相工质脉动流动的等温格子-Boltzmann模型。将利用该模型取得的静态液滴形态以及表面张力、大空间和窄空间内气泡浮升运动时的形态模拟结果与文献的研究结果进行对比,验证了模型的可靠性。对毛细管内泡状流和柱塞流两种流型在边界正弦压力波作用下绝热脉动流动情况进行了数值模拟。通过模拟研究了毛细管内不同压力波振幅下液相Reynolds数和气泡位移幅度周期性变化规律;获得了汽液界面形态在脉动过程中的变化;观察到在边界液相速度方向发生改变时,边界附近区域的Reynolds数振荡现象;分析了重力对脉动运动过程的影响。模拟结果为分析以毛细管为主要构件的脉动热管内汽液两相工质的工作过程提供了一定依据。

格子-Boltzmann方法模拟霜结晶生长

为了研究冷壁面上霜结晶的生长过程以及各参数的变化规律,利用格子-Boltzmann方法(LBM)方法,建立一个二维介观模型,实验验证了模型的可靠性,分析了霜层温度变化和密度增长规律,并直观模拟出霜结晶凝聚变化过程。结果表明:霜层表面温度在早期阶段迅速增加,但增加率随着结霜时间增加而减小;霜层内部温度随霜层厚度的增加呈线性增长;霜层平均密度随结霜时间增加呈现出先慢后快的规律;随着结霜过程的进行,由于越往上,霜晶体积分数越小,导致霜层内部密度随霜层厚度的上升而减小。

二维管道内交变流动的格子-Boltzmann方法模拟研究

采用格子-Boltzmann方法(LBM)对二维管道内不可压缩交变流动———Womersley流的流动与换热进行了数值模拟研究.结果表明:管道内压力梯度呈周期性变化,在周期较小时,管道的绝大部分区域速度分布相当平坦,在靠近壁面附近出现了速度的峰值,且靠近壁面处速度变化剧烈;在周期较大时,速度分布近似于抛物线,管道中心速度总大于壁面附近速度,且不同周期下的模拟结果与解析解都吻合得很好.另外,当速度交变时,温度表现为波动变化.速度与温度的相位差、温度的分布特性、温度的波动特性等都与压力梯度交变周期及幅值有关.研究结果表明,LBM可以用于交变流动的模拟.鉴于LBM的众多优点,该方法有望成为求解复杂流动与换热的一种有效的数值模拟手段.

纳米流体Rayleigh-Bénard细胞流的格子-Boltzmann模拟

采用热格子-Boltzmann方法,对两平行平板间纳米流体的Rayleigh-Bénard细胞流现象及其影响因素进行数值模拟研究,模型计算结果与方腔内纳米流体的自然对流实验结果吻合较好。讨论了纳米颗粒种类(Al2O3、Cu和SiO2)、体积分数(1%～4%)等因素对细胞流流动和传热的影响。研究发现平板间纳米流体的Rayleigh-Bénard细胞流的流动和传热行为明显异于纯流体,同时发现纳米流体的热导率、黏度和颗粒的热运动共同决定细胞流的流场和温度场分布的规律:热导率越大、布朗运动的越强,会减小流体温度的非均匀性,削弱对流作用,使其细胞流对涡个数减小;黏度增大也会抑制细胞流的发展。

二维平板通道中流动与传热的格子-Boltzmann模拟

格子-Boltzmann数值模拟方法(LBM),在最近十几年来得到迅速发展。本文发展了LBM的流动与传热模型,并对二维平板通道中的流动与传热进行了模拟,采用密度分布函数得到速度场,用单独的内能分布函数得到温度场,并与传统FVM方法所得到的多个特征量结果进行了比较,模拟结果与FVM解均吻合很好。鉴于LBM边界条件处理简单和易于实施等特点,该方法可望成为求解流动与传热的一种有效数值模拟手段。

二维Rayleigh-Bénard对流的插值格子-Boltzmann方法模拟研究

本文采用插值格子-Boltzmann方法对较大Ra数范围下的二维Rayleigh-Bénard对流进行了模拟研究．模拟中针对不同的Ra数,采用不同的插值比．模拟获得了系统的最大垂直方向速度分量随时间的变化规律、系统的流线以及等温线分布、Nu数与Ra数的变化规律以及壁面附近水平截面平均温度的分布．模拟结果与相关文献数据傲了对比,相互吻合良好．

微通道气体流动的格子-Boltzmann法模拟

格子-Boltzmann方法的迅速发展为计算流体力学提供了一种强有力的工具.结合"贴壁层"的理论对格子-Boltzmann方程在微槽道流动中的应用进行探索,对Kn数跨越速度滑移区和过渡区的若3个微通道中的气体流体进行了模拟,给出了通道内速度、压力、局部阻力系数的变化曲线,并和同条件下用不考虑滑移的计算结果和文献给出的理论结果进行了对比,结果表明和文献给出的理论结果吻合得很好.

格子-Boltzmann方法模拟多孔介质内自然对流蓄热过程

以在高温热量存储、太阳能利用和建筑节能中有着广泛应用的多孔蓄热装置为研究对象,基于格子-Boltzmann方法(LBM)的基本原理,建立表征体元尺度(REV)上多孔介质自然对流的热流耦合方程,对多孔介质区域内的定温加热过程进行数值计算,探索了蓄热装置工作效果与多孔介质材料和内部流体特性的关系。分析获得了多孔介质渗透率和工质热膨胀率增大对多孔介质蓄热的强化作用,以及强自然对流作用下温度场分布所出现的不均匀特性。

梯度磁场下磁流体三维结构的格子-Boltzmann方法模拟

考虑磁性颗粒受到的各种内力与外力包括重力、布朗力、van der Waals力、磁偶极-偶极作用力以及外磁场作用力,建立了描述磁流体结构的两相格子-Boltzmann三维模型,对外加梯度磁场条件下磁流体的介观结构进行了模拟．模拟结果表明：外加梯度磁场时磁流体粒子沿梯度方向聚集并出现分层现象,且随时间推移和外加磁场增大,分层现象越来越明显．

颗粒-流体密度比对两相流动不稳定性影响的格子-Boltzmann方法模拟

采用格子-Boltzmann方法模拟周期性边界计算域内的颗粒流化。计算采用的流化系统Archimedes数为1 432,对应于颗粒终端Reynolds数为30。研究模拟颗粒浓度为25%,颗粒-流体密度比为2~1 000时,密度比对流体-颗粒流动不稳定性的影响。密度比的范围对应由液固到气固的两相流动。颗粒与颗粒之间的碰撞采用弹性碰撞。研究获得颗粒平均速度、速度方差、偏度及峰度随密度比变化的规律。结合结构因子的分析,因密度比变化使颗粒-流体流动由稳定转变为不稳定的过程中颗粒速度特性变化与聚团形成的关系被确定,也确定了不稳定流动产生时所对应的密度比范围。

热格子-Boltzmann模型非均匀网格算法及应用

本文针对曲边界流动换热问题,建立了一种新的热格子-Boltzmann非均匀网格算法。通过对环形腔内自然对流问题的模拟并与实验和经典理论结果对照,验证了该模型的正确性。然后将此方法运用到磁流体无泵驱动环路系统,研究了温差和磁场强度对此系统流动的影响。结果显示磁流体可以在环路内持续稳定流动;在加热和冷却入口处温度呈现V形分布,当温差达到50℃后,速度变化就不再明显。

求解辐射传输方程的多松弛格子-Boltzmann模型

针对辐射传输方程,文中提出了一种多松弛格子-Boltzmann模型(multiple-relaxation-time lattice Boltzmann model).基于扩散尺度下的Maxwell迭代,辐射传输方程可以严格地从格子Boltzmann方程推导得出.一些数值案例用来验证本文提出的多松弛(MRT)格子-Boltzmann模型的数值特性.结果表明本文提出的多松弛格子-Boltzmann模型可以稳定及精确地求解参与性介质中的瞬态及稳态辐射传输问题.并且,该模型具有二阶精度.

低温回热制冷机内交变流动与换热的格子-Boltzmann方法模拟

采用格子-Boltzmann方法(LBM)分别通过对二维通道及多孔介质内交变流动与换热进行了数值模拟,以研究低温回热制冷机中脉冲管内及回热器内交变流动与换热规律。结果表明:二维通道交变流动结果与解析解吻合得很好。当交变流动数较大时,出现速度环形效应,温度表现为周期波动变化。多孔介质内各点速度总体均呈现交替波动变化,但振幅各不相同。固相处速度为零,而固相间的缝隙处出现速度峰值,且各缝隙处振幅峰值沿y轴分布较为均衡。温度分布的轮廓图与二维空通道内相一致。多孔介质出口界面速度、压力和温度的平均值呈规律的交替波动变化。多孔介质中心界面处,速度、压力、温度的平均值分布总体依旧保持类正弦形状的波动变化,但压力和温度均出现了不同程度的非连续跳跃。

格子乘法简史初探

格子乘法是一种以表格形式进行乘法计算的古老算法,此算法最早见于10世纪阿拉伯算术书中,于13世纪初由斐波那契传入欧洲,其在阿拉伯国家发展出的新形式在15世纪前后再次传入欧洲和中国,这种算法在欧洲衍生出的计算工具纳皮尔筹在17世纪由传教士传入中国。

Zakharov-Rubenchik方程组的格子Boltzmann方法

Zakharov-Rubenchik方程组常用于描述非线性介质中高、低频波间相互作用的波耦合现象。本文针对该方程组的数值求解问题,构建了一种格子Boltzmann方法的D1Q3演化模型,并利用Chapman-Enskog展开和多尺度分析技术,推导出了各个方向的平衡态分布函数和修正函数的具体表达式,从而将所建的演化模型准确恢复到宏观方程组。最后,通过数值算例证明了该方法的有效性。

基于格子Boltzmann方法的地埋管管群换热的模拟研究

土壤结构和地下水通常会影响地埋管换热器的传热,本文将利用随机四参数生成法建立双分布函数格子Boltzmann模型,对有渗流条件下地埋管管群换热器与饱和土壤多孔介质的换热情况进行了模拟,分析了影响埋管外土壤平均温度的主要因素。研究表明,土壤热传导特性主要受土壤孔隙度、地下水渗流速度和土壤骨架导热系数k s的影响。本文的研究结论对考虑土壤渗流的地下换热器的设计具有一定的指导意义。

浸入运动边界-格子Boltzmann方法4种固含率计算方法对比研究

为了达到流固耦合,格子Boltzmann方法(LBM)可采用浸入运动边界法(IMB)实现移动颗粒边界上的无滑移条件.该耦合方式(IMB-LBM)中固含率计算方法对流固耦合计算精度和效率有影响.对常用的固含率4种计算方法,即蒙特卡洛法(MCM)、单元分解法(UDM)、近似多边形法(APM)和闭合边界法(CBM),分别阐述其具体算法,对比了它们的计算精度和计算效率;最后通过圆盘颗粒非连续变形分析方法(DDDA)与IMB-LBM耦合模型下的一个多颗粒沉降流固耦合算例,对比分析了它们在流固耦合计算过程中的耗时.结果表明:1)CBM无误差,MCM和UDM在随机点数取1000,子单元数取100时误差稳定在1%以下,APM在颗粒直径大于格子长度10倍时,误差小于0.44%;2)MCM和UDM的计算精度及耗时分别与随机点数和子单元数相关,它们的计算耗时大于APM和CBM;3)计算效率上,APM>CBM>UDM>MCM,其中CBM计算耗时略微大于APM,APM和UDM计算耗时分别比MCM少2个和1个数量级.该结果可为IMB-LBM耦合模型中固含率计算方法优选提供借鉴.

基于格子玻尔兹曼法的连续式搅拌反应釜流场数值模拟

为探究高含固厨余垃圾条件下连续式搅拌反应釜(continuousstirred-tankreactor,CSTR)的流场特性,课题组采用一种新颖的计算流体动力学方法格子玻尔兹曼法(latticeBoltzmannmethod,LBM)进行研究。模拟了3种桨型的流场特性,并通过对比不同转速下的扭矩实验值与模拟值,评估了该方法的可靠性,结果表明在低转速时实验值与模拟值的相对偏差均小于5%;随后考察了不同搅拌桨的速度分布、扭矩以及死区占比的变化情况。模拟结果显示:在处理含固体积分数为20%的厨余垃圾时,螺带式搅拌桨几乎带动整个反应釜内物料运动,并且其死区占比相对较小;使用螺带式搅拌桨时,随着转速的增加,反应釜中死区占比会有所下降。因此,综合考虑反应釜内的速度分布、扭矩及死区占比,用于搅拌高含固的厨余垃圾的连续式搅拌反应釜的最佳搅拌条件是转速为40r/min的螺带式搅拌桨。课题组所提出的格子玻尔兹曼法方法可用于模拟低转速条件下高含固厨余垃圾的流动特性。