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。

含孔板微通道内随流气泡运动的两相格子Boltzmann模拟

带有气泡的两相流系统存在于各种工业过程中,涉及复杂的相界面变化,但气泡在管道中伴随液相流动时,通过孔板的运动过程尚未有充分的研究结果.相场格子Boltzmann模型在模拟复杂界面方面具有优势,适合研究气泡两相流在含孔板微通道内的运动,分析We数、气泡相对大小和孔板表面润湿性等因素对气泡动力学特性的影响.数值计算结果显示,随着We数增加,气泡表面张力减小,导致其穿过孔板结构时更易被撕裂,峰值速度降低.在研究的参数范围内存在两个临界直径比,这两个临界值将气泡通过孔板的运动分成三种形态,而且临界直径比会随We数的增加而减小.另外,随着接触角的增大,孔板表面对气体的吸附能力加强,气泡与孔板表面的接触面积增加,引起穿过孔板气泡的质量减少和气泡通过的速度增加.

基于格子Boltzmann方法的钉扎螺旋波反馈控制

螺旋波是心室跳动过速和纤维性颤动的根源,钉扎螺旋波相对于自由螺旋波来说更难消除.本文采用格子Boltzmann方法求解,以FitzHugh-Nagumo模型为对象,研究了使用反馈控制法消除钉扎螺旋波.数值结果表明,无论钉扎螺旋波钉在圆形障碍物还是矩形障碍物上,反馈控制法对其都具有很好的控制作用.此外,通过数值模拟系统研究了可激性系数、反馈控制信号幅度、记录反馈信号时间和障碍物的大小对钉扎螺旋波的控制情况.研究表明,钉扎螺旋波消除有三种情况.首先,反馈控制信号幅度和可激性系数与钉扎螺旋波消除所需的时间有关,反馈控制信号幅度越大或可激性系数越小,钉扎螺旋波消除越快.其次,障碍物大小和可激性系数影响着能成功消除钉扎螺旋波下记录反馈信号时间与加入反馈控制时间之间对应的时间间隔.最后,在保持加入反馈控制时间不变的情况下,记录反馈信号时间影响着能成功消除钉扎螺旋波所需的最小反馈控制信号幅度.

PEMFC扩散层中气体组分反应和传递格子Boltzmann模拟

通过格子Boltzmann方法中的多组分Shan-Chen模型对燃料电池气体扩散层与双极板流道特征结构进行模型构建,探究不同孔隙率、压缩比以及积水液滴位置对质子交换膜燃料电池(PEMFC)内气体组分传递的影响。模拟结果发现小孔隙率会造成气体的堵塞,影响传质效率,而气体扩散层的压缩效应导致结构变形进而造成气体在流道进口处的堵塞;压缩导致气体通道变得狭窄,促进氧气接触下部的催化层发生反应,流道附近的反应强度会随着压缩比的增加而增加;当积水液滴位于扩散层中部时,其能够将部分的反应气体引导到催化层处,从而增加反应气体的浓度;而位于底部的液滴会将催化剂覆盖从而阻碍催化反应的进行。

基于格子Boltzmann模型的裂缝性储层钻井液漏失数值模拟

针对裂缝性碳酸盐岩储层钻井过程中钻井液漏失问题,基于简化的基块-裂缝双重介质物理模型,建立了描述表征单元体(REV)尺度的基块-裂缝内钻井液漏失的格子Boltzmann数学模型,数值模拟分析了钻井液漏失过程基块-裂缝内渗流场分布,揭示了不同条件下基块-裂缝内钻井液漏失行为。模拟结果表明,裂缝性致密碳酸盐岩储层中的裂缝为主要漏失空间,基块的钻井液漏失量在低值范围内随基块孔隙度增加呈指数增加。裂缝宽度越大,平均流速越大,裂缝空间内速度分布越均匀,组合裂缝总宽度相等条件下,单条裂缝的钻井液漏失速率高于多条裂缝组合情形。研究通过格子Boltzmann方法表征钻井液漏失行为,表明该方法可较好地用于分析裂缝性介质中钻井液漏失行为和裂缝至基块的跨尺度滤失过程,研究成果可为裂缝性致密储层钻井液漏失防控及储层保护提供理论依据。

剪切增稠幂律流体中单气泡上升动力学行为的格子Boltzmann方法研究

采用不可压非牛顿气液两相流格子Boltzmann方法研究了剪切增稠流体中气泡上升的动力学行为,重点分析了流变指数n、Eoυos数(Eo)和Galilei数(Ga)对气泡形变、终端速度和剪切速率的影响.数值结果表明:气泡形变程度随Eo的增大而增大,n对气泡形状的影响与Ga相关.另一方面,随着Ga增大,气泡终端速度随n呈非线性单调增大,且n对终端速度的影响随Ga的增大逐渐明显;当Ga固定且值较小时,气泡终端速度在较小Eo下随n的增大先增大后减小,而当Eo较大时终端速度随n的增大呈增大趋势;当Ga固定且较大时,气泡终端速度在Eo较大时较为统一地随n增大而增大.此外,气泡左右两端存在剪切速率较高的区域,该区域尺寸随Eo,Ga的增大而增大,随n的增大先增大后缩小.最后利用正交试验法得到上述三变量对剪切速率和终端速度的影响程度.对于剪切速率,参数影响程度由大到小的顺序依次为n,Ga和Eo;对于终端速度,Ga对其影响最大,n次之,Eo影响程度最小.

分数阶Navier-Stokes方程的格子Boltzmann方法

对于分数阶Navier-Stokes方程的数值求解问题,首先将该方程进行离散化处理,然后构造D1Q3格子Boltzmann模型,并采用Taylor展开和Chapman-Enskog多尺度展开等技术恢复宏观方程,同时推导出该模型平衡态分布函数的表达式。最后根据一维的两个数值算例对方程进行数值模拟以及误差分析,并将得到的数值解与精确解进行比较,从而验证格子Boltzmann方法的准确性与有效性。

基于格子Boltzmann方法的单一粗糙裂隙渗流状态研究

岩体中普遍存在裂隙,基于格子Boltzmann方法以及D2G9离散模型在计算流体的渗流状态下具有边界条件易于设置、计算效率较高、计算结果可视化等优点,建立考虑不同粗糙度的单一裂隙渗流模型,模型的上下边界设置为无滑移的全反弹边界,左右边界则采用非平衡外推格式的分布函数边界,同时结合经典流体力学的Poiseuille流问题,对计算模型进行验证。最后,分析岩体裂隙表面粗糙程度对渗流状态的影响,计算结果表明:随壁面粗糙程度的增加,流体的流速、大小、方向均会发生不同程度的改变,并且在由粗糙度的改变而引起隙宽急剧变化的部位,局部伴随着流体旋涡的形成,导致流体内部摩擦阻力的增大,从而产生较大的局部能量损耗。

KdV方程的格子Boltzmann模型求解

浅水波模型被广泛地用于模拟水波传播的动力学行为。很多问题,如强非线性问题、非平衡问题、实际应用中发生的问题等,使得传统的理论研究手段通常无能为力。文章首先给出了格子Boltzmann方法(LBM)的基本理论,然后利用经典的一维五速度(D1Q5)的离散速度模型,给出Korteweg-de Vries(KdV)方程中含有修正项的格子Boltzmann(LB)模型推导公式,最后进行数值模拟,将KdV方程的精确解和模拟解进行比较,然后验证修正模型的精确性。实验结果表明,用格子Boltzmann方法对KdV方程进行求解,其模拟解和精确解吻合度较高。

Allen-Cahn型表面活性剂浓度的两相流格子Boltzmann模型

基于相场理论,提出了含表面活性剂两相流介观格子Boltzmann(LB)模型,与经典Cahn-Hillaird型方程用于描述流体界面以及表面活性剂浓度不同,推导了Allen-Cahn(AC)型的表面活性剂浓度方程,并设计了相应的LB数值格式。该模型除了保留算法的简单性、并行性以及刻画流体组分与活性剂组分的微观相互作用外,还能准确收敛AC型宏观方程。最后利用两个算例,含表面活性剂的平板问题以及液滴问题,验证该模型准确性与稳定性。

楔形体上复合液滴润湿铺展行为的格子Boltzmann方法研究

固壁上液滴的润湿铺展行为是自然界中普遍存在的现象,针对楔形体上的复合液滴,采用基于相场理论的格子Boltzmann方法对其润湿铺展行为进行探究.通过理论分析和数值模拟,发现液滴润湿面积随接触角、楔形体顶角的减小而增大,液滴也越容易分裂.处于理论分裂临界状态附近的液滴,在一定密度比、黏度比条件下将沿楔形体壁面分裂.基于模拟结果生成以密度比、黏度比为坐标的液滴分裂状态相图,比较发现相同条件下初始状态为平衡态的复合液滴更不易发生分裂.另外模拟还表明非对称界面张力及非对称运动黏度比也是影响液滴分裂结果的重要因素.

运用格子Boltzmann方法求解空间分数阶方程

研究了一类Riesz空间分数阶方程的数值求解问题,构造了格子Boltzmann方法(LBM)的D1Q3模型。对分数阶微积分算子进行处理,以便于构造格子Boltzmann模型。通过Chapman-Enskog多尺度展开得到一系列偏微分方程,并且计算出平衡态分布函数。通过数值模拟验证了该方法有效。

遮光剂掺杂SiO_(2)气凝胶传热的统一格子Boltzmann模型研究

气凝胶是一种纳米多孔超级隔热材料,其内部的传热过程涉及气相导热、固相导热、气固耦合传热及辐射传热。基于格子Boltzmann方法,演化了含有辐射源项的能量方程和辐射传输方程,建立了描述SiO_(2)气凝胶复合材料内多模式多尺度耦合传热的统一格子Boltzmann模型,探究了SiC遮光剂粒径和掺杂量对气凝胶复合材料隔热性能的影响,获得了使得材料等效热导率最小的SiC遮光剂最优粒径和最佳掺杂量随温度的变化规律。

基于格子Boltzmann方法的多孔介质渗流特性模拟

为研究随机多孔介质内部的渗流特性,采用基于蒙特卡洛方法随机生成的多孔介质结构结合格子Boltzmann方法的D2Q9模型模拟压力驱动时多孔介质内的渗流,发现多孔介质内的平均流速与压强梯度严格成正比,符合达西定律。在相同孔隙率、不同粒径的多孔介质中,渗透率的变化与粒径的平方成正比;在相同粒径、不同孔隙率的多孔介质中,渗透率的变化与孔隙率的关系式成正比;渗透率与Kozeny-Carman理论公式拟合较好,且多孔介质圆度越大,颗粒越不规则,渗透性能也越差。研究结果表明:格子Boltzmann方法可以准确地模拟多孔介质内的渗流,且多孔介质的内部结构会影响其渗透性能。

基于格子Boltzmann和POD方法的非定常流场重建

以二维圆柱雷诺数Re=100绕流为研究对象,在格子Boltzmann方法模拟非定常流动的基础上,利用本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)算法获取二维圆柱绕流周期性稳定脱落阶段POD基函数及对应的系数,用以实现非定常流场的重建,并研究不同POD模态阶数对重建效果的影响。结果表明:前5阶POD模态占总能量的99%,可以准确地重构流场,流场重构误差最大绝对值为8×10^(-4);随着模态阶数的增加,流场主要特征表达得越细致,且流场重建误差由大幅度降低,缓慢减低到趋于稳定几乎保持不变。

基于GPU的二维梯形空腔流的格子Boltzmann模拟与分析

采用格子Boltzmann方法模拟上下壁面驱动的二维梯形空腔流,并使用GPU-CUDA程序进行加速计算.主要采用本征正交分解方法,分析了4种壁面驱动条件的流场模态,并探究了雷诺数和驱动速度方向对流场形态的影响.结果表明:1)当上壁面单驱动(T1a)时,若雷诺数为1000—8000,流场处于稳态流动;雷诺数为8500时,流场处于周期性非稳态流动;雷诺数大于10000时,流场处于非周期非稳态流动.2)当下壁面单驱动(T1b)时,若雷诺数在1000—8000之间,流场处于稳态流动;雷诺数增大至11500时,流场处于周期性非稳态流动;雷诺数大于12500时,流场进入非周期非稳态流动.3)当上下壁面同方向同速度双驱动(T2a)时,若雷诺数在1000—10000区间,流场均为稳态流动;雷诺数为12500—15000时,流场处于周期性非稳态流动;当雷诺数大于20000时,流场为非周期非稳态流动.4)当上下壁面反方向同速度双驱动(T2b)时,若雷诺数在1000—5000之间,流场处于稳态流动;雷诺数为6000时,流场处于周期性非稳态流动;雷诺数大于8000时,流场为非周期非稳态流动.

基于格子Boltzmann方法的饱和冻土孔隙成冰介观尺度模拟

路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而成冰相变过程是解释冻胀机制的关键。基于介观尺度的格子Boltzmann方法,将修正的孔隙水冻结温度算法与焓法固液相变格子Boltzmann模型相结合,模拟了悬浮液滴冻结和冻土孔隙水成冰两个过程,分别揭示了液态水在自由状态和孔隙束缚状态下冰水相变的细观机制。计算结果表明:土体孔隙中冰晶由中心向外生长的过程与悬浮在空气中的液滴冻结过程截然不同,并且孔隙水越接近颗粒表面,其冻结温度越低。相同粒径颗粒按照不同排列方式得到的冻结特征曲线(soil freezing characteristic curves,简称SFCC)具有明显差异;不同粒径的SFCC随着颗粒增大残余水含量逐渐变少,形态更加陡峭。通过与文献试验结果对比,验证了格子Boltzmann方法的有效性,表明该方法能够为研究多孔介质水气迁移与相变过程提供介观尺度的新手段。

表面微结构对析晶沉积特性影响的格子Boltzmann模拟

析晶污垢是一种普遍存在于换热设备中的有害结晶,损耗设备的换热性能。在换热表面设置粗糙微结构对流动和换热影响显著,也使得表面的析晶污垢沉积机理变得十分复杂。基于析晶沉积动力学理论,建立了有限差分-格子动力学耦合模型,对碳酸钙在微细通道换热表面的沉积特性进行分析,并讨论表面微结构单元的分布间距和高度对结垢行为的影响。结果表明,建立的有限差分-格子动力学耦合模型能够有效模拟微结构背风面的局部涡流和换热表面的结垢过程;微结构分布间距的缩减和高度的增加均会明显使高壁温区域的析晶沉积过程由表面反应主导转变为传质扩散主导;与光滑换热表面的析晶沉积工况对比,微结构的设置及高度增加使换热表面污垢沉积量增多,相邻微结构间的涡也随沉积时间逐渐变小。

脉冲流在Y型和倒Y型微反应器中强化传质的格子Boltzmann模拟

连续流微反应器的迅速发展为化学合成技术提供了一条可精准控制的路径。微反应器中流体的流动、混合和传质是反应的物理基础,因此强化传递就能够合理改善混和效果,增加相接触面积,减小微通道尺寸,以缩短分子扩散距离。由于微反应器中对流传递数量级非常低,不容易控制。通过改进微混合器构型和引入脉冲流动等主被动强化措施,可以有效改善对流和传质,影响化合反应。如何量化分析这些影响,是微反应器强化传质和优化控制反应过程的基础。本文基于有效的虚拟串行竞争反应格子Boltzmann模型,通过对Y型和倒Y型的微反应器的流场结构、混合传质和化合反应进行数值研究,定量分析了脉冲流动在不同流场构型下传质和化学反应的影响,所得结论可为连续流微反应器设计以及微反应精准控制提供有意义的参考。