基于格子Boltzmann法岩体裂隙粗糙特征对渗流的影响

裂隙在岩体中的形貌结构复杂,岩体裂隙的粗糙特征对裂隙的渗透性存在较大影响。目前传统的数值模拟软件主要是以等效连续介质为基础的宏观评价,无法模拟裂隙微小结构内的介观渗流特征;虽然存在考虑裂隙粗糙特征的粗糙裂隙渗透评估模型,但是将粗糙裂隙的剖面高度标准偏差值作为粗糙特征的定量表征缺乏物理意义并且存在局限性。首先运用W-M(Weierstrass-Mandelbrot)函数构建具有不同分形维数的二维粗糙单裂隙数字模型。其次基于格子Boltzmann法理论通过编程实现介观尺度的渗流模拟,并结合以裂隙剖面高度标准偏差值作为粗糙特征定量表征的立方定律公式进行分析。结果表明:以裂隙剖面高度标准偏差值作为粗糙特征定量表征的立方定律公式存在不足;以分形维数作为粗糙特征定量表征的局部修正立方定律公式相对可行。研究对于地下水污染防治以及地下水资源评估有着重要的工程实际意义。

基于多GPU的格子Boltzmann法对槽道湍流的直接数值模拟

采用多GPU并行的格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)对充分发展的槽道湍流进行了直接数值模拟.GPU(graphic processing unit)的数据并行单指令多线程(single-instruction multiple-thread,SIMT)特征与LBM完美的并行性相匹配,使得LBM求解器在GPU上运行获得了极高的性能,亦使得大规模DNS(direct numerical simulation)在桌面级计算机上进行成为可能.采用8个GPU,网格数目达到6.7×107,全场网格尺寸Δ+=1.41.模拟3×106个时间步长,用时仅24 h.另外,直接模拟结果无论是在平均流速或湍流统计量上均与Moser等的结果吻合得很好,这也证实了二阶精度的格子Boltzmann法直接模拟湍流的能力与有效性.

利用三维格子Boltzmann法研究化学机械抛光中压力分布

利用三维格子Boltzmann法(LBM),对化学机械抛光(CMP)的润滑过程做了数值模拟,得到了不同晶片和抛光垫转速下的压力分布,并讨论了抛光液黏度对高压涡中压力最大值的影响。数值模拟结果表明,晶片自转是产生"双涡图"的主要原因,抛光垫旋转则主要产生"单涡图",抛光垫和晶片旋转的综合作用一起影响抛光效果,其中抛光垫的转速的改变对去除率影响较大。利用格子Boltzmann法模拟润滑问题,所得结果与求解Reynolds方程的结果一致,并具有计算效率高、几何直观等特性,能实现CMP过程的三维模型,且较容易实现对多相流的模拟。

异形纤维捕集颗粒过程的格子Boltzmann法数值模拟

为了探究异形纤维的截面形状和放置角度对捕集效率、系统压降及除尘器综合性能的影响,对布袋除尘器中三角形、十字形及三叶形3种异形纤维捕集颗粒的过程进行研究;采用格子Boltzmann-元胞自动机气-固两相流模型定量描述颗粒的运动过程,计算扩散、拦截及惯性碰撞3种捕集机制下纤维的捕集效率,并且与相同体积分数的圆柱纤维进行比较。结果表明:对于十字形和三叶形纤维,当长短轴比越大时,捕集效率也越大;对于拦截机制占主导时较难捕集的中等大小颗粒,三角形和三叶形纤维放置角度为60°时更有利于捕集。

基于格子Boltzmann法的树木流场数值模拟

通过多松弛时间格式的格子Boltzmann法(lattice Boltzmann method,LBM)对树木流场进行数值研究,树木简化为表征元尺度下的多孔介质,为了研究雷诺数Re=10 000下的流场,将大涡模拟结合LBM得到树木周围的流速和风压,并在模型前设置格栅,以此制造扰动并模拟B类场地下的流场。结果表明,树木下游不同位置的平均风速剖面与试验吻合良好;风压从迎风面到背风面显示出明显的变化梯度,而且其最大绝对值主要分布在迎风面和背风面附近; B类地貌下的树木遮蔽区下游风速有所减小,湍流度极大值在树冠顶部附近。

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。

潜堤上孤立波传播的格子Boltzmann法数值模拟

基于格子Boltzmann法建立求解不可压缩的Navier-Stokes方程的数学模型,对孤立波与矩形潜堤和半圆形潜堤的相互作用过程进行了研究。通过建立二维数值水槽,采用Rayleigh推板造波,模拟了孤立波越过潜堤的过程。通过模拟速度场和自由表面,证明该模型能很好地模拟流动的分离和涡流的产生,结果与已有实验数据吻合。研究表明该模型能够模拟孤立波与潜堤相互作用中的水流分离、涡流产生、波浪破碎和传播等非线性现象。所得结论对于潜堤工程设计具有参考价值。

基于格子Boltzmann法的管道流模拟二维和三维离散模型的比较

格子Boltzmann方法是近二十年迅速发展起来的一种介观模拟方法。它是由格子气自动机理论演化而来,有别于传统模拟方法,具有宏观上离散,微观上连续的特点。本文着重介绍了格子Boltzmann法控制方程的理论基础,基于LBGK理论的D2Q9和D3Q19离散速度模型边界条件的定义以及算法演变情况。使用MATLAB软件编写程序进行二维和三维的泊肃叶流的数值模拟,对比分析D2Q9和D3Q19离散速度模型在LBGK理论下的边界条件的影响。

随机多孔介质流动的格子Boltzmann法模拟

为了探索多孔介质渗透性与孔隙率之间的关系,应用格子Boltzmann方法(LBM)以及无滑移流固边界条件,从孔隙尺度模拟了二维随机多孔介质中的流体流动.通过研究流量和压力梯度的关系,验证了格子Boltzmann方法模拟的Darcy定律.研究结果表明:在孔隙率较低(约小于0.3)的情况下,渗透性与孔隙率近似成指数关系变化,与前人的结果吻合.

等离子熔射粉末颗粒飞行过程格子Boltzmann法仿真

为考察等离子熔射过程中粉末的飞行过程,本文在已开发的正六边形7-b it格子Bo ltzm ann(LB)方法等离子射流的温度场和速度场的计算模型基础上,采用单个颗粒加速方程,建立了一个随机算法,实现了对粉末颗粒在射流场中运动过程的仿真;计算结果通过动画演示了粉末飞行的全过程,表明初始位置越靠近射流场出口中心的粉末颗粒加速越充分,并且在射流场一定的情况下,减小粉末颗粒直径可以提高粉末速度,但会降低粉末利用率。

格子Boltzmann法研究陶瓷过滤管基体内的稳态和非稳态流动

为了深入了解陶瓷过滤管内的微观过滤机理,将格子Boltzmann方法用于陶瓷过滤管基体内的流动研究,对流体在多孔介质内的稳态和非稳态流动进行了计算。结果表明,流体在稳态流动时,流体的速度和压力间的关系符合达西渗透定律,证明了LB计算程序的可靠性。可以得到多孔介质内的微观速度分布及变化规律。多孔介质内的孔喉处流体速度较大,局部最大速度可以达到表观过滤速度的数十倍。孔隙内各点的局部速度随压降的变化而线性变化,且在入口边界固定时,孔隙中各点的速度不随时间改变。非稳态流动时,通过给定随计算步数变化的入口压力值,分析了局部速度随入口压力的变化趋势,结果表明两者变化一致。

基于格子Boltzmann法的粒子拓扑结构对风力机涡流演变影响研究

格子Boltzmann方法(LBM)具有无网格的特性,但空间离散过程中粒子拓扑结构应同流场结构相匹配,拓扑结构由远场粒子尺度、近壁粒子尺度、涡结动态粒子加密阈值尺度、粒子细化的过渡长度等构成。本文结合叶尖涡涡核尺度,开展LBM法粒子分布的拓扑关系寻优研究,对比分析MEXICO风力机尾流预测精度,以形成兼顾计算效率和精度的风力机尾流模拟最佳粒子拓扑结构。研究发现,近壁粒子尺度及粒子细化的过渡长度对尾流影响较大,涡结动态粒子分布尺度影响次之;叶片近壁粒子尺度不应低于叶尖涡模拟涡核尺度的1/6,首层过渡层长度是涡核尺度两倍左右;涡结粒子加密尺度取涡核尺度1/3时,风力机尾流模拟精度能够兼顾计算效率与精度。

基于格子Boltzmann法物体绕流模拟与解析

格子Boltzmann方法作为一种介观模拟方法,因为其自身的一系列特性受到了越来越多研究者的关注。本文通过模拟二维情况下的Poiseulle流验证了格子Boltzmann法模拟的准确性,并且使用该方法实现了二维平面内的物体绕流模拟。

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.

基于格子Boltzmann方法的活塞环润滑和油膜流动研究

使用不可压缩格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)对活塞环进行润滑和流动计算,采用基于非平衡外推和空间插值的方法来重构活塞环几何形状和界面速度边界,通过Reynolds方程验证了LBM的可行性。在此基础上,建立了3种不同的活塞环桶面轮廓,研究了不同活塞环桶面轮廓对润滑和流动的影响,获得了润滑区域的速度分布和流线图。结果表明,在相同条件下,随着桶面偏移量的增加,峰值压力和承载力增加;在几何收敛区域内,润滑油沿流动方向流速快的流体占比逐渐增加;在活塞环入口位置捕捉到了涡流和反向速度分量的存在,随着桶面偏移的增大,涡流区有扩大的趋势。应用LBM计算活塞环润滑是可行的。

基于格子Boltzmann法的槽道流DNS/LES模拟

基于神威LBM(SWLBM)自研软件,依托神威·太湖之光超级计算机,在格子Boltzmann方法的D3Q19模型基础上,对雷诺数Re_(τ)=180槽道流进行了直接数值模拟(DNS)和采用WALE模型结合壁面函数(Wall Functions)大涡模拟(LES)。模拟获得了槽道流的转捩过程,统计量与Moser的直接数值模拟(DNS)结果进行了比较,吻合良好。展示了SWLBM的直接模拟和大涡模拟湍流模拟能力。

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.

基于格子Boltzmann方法的粘弹性流体圆柱绕流分析

将光滑界面法引入到格子Boltzmann方法中分析粘弹性流体绕流问题,分别采用单松弛模型和对流扩散模型求解运动方程和Oldroyd-B本构方程,针对圆形和椭圆内部边界条件,给出连续界面插值函数,在此基础上,运用光滑界面法将内部边界转换为作用力项施加到演化方程中。首先分析圆柱绕流问题,给出不同材料参数情况下的流场分布和阻力系数计算结果,比较发现与宏观数值模拟结果相吻合。将模型拓展到绕椭圆流动中,分析椭圆形状和材料参数对粘弹性流体绕柱流的影响,发现随着椭圆长轴与短轴比值的增加和维森伯格数的增加,阻力系数逐渐下降,并且长短轴比对迭代收敛有较大影响。

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.