基于混合热格子Boltzmann方法有限热源加热气泡动力学模拟

为探究不同润湿性表面单气泡动力学特性,通过引入差分方法的单组分多相格子Boltzmann模型,耦合能量方程构成了气液相变模型,模拟了不同润湿性表面单气泡形成过程周围流场与温度场细观,阐述了气泡生长脱离机理;研究了润湿性、过热度、有限热源长度对气泡动力学影响。结果表明,在相同过热度下,疏水壁面气泡生长速度大于亲水壁面。气泡脱离直径和脱离时间随着接触角增加而增加,亲水表面气泡脱离直径随着有限热源长度增加而增加,脱离时间随长度增加而减小。疏水表面气泡脱离直径与有限热源长度无关,脱离时间随加热长度增加小幅度减小。在不同的过热度下,亲水壁面气泡脱离直径随着过热度增加而增加,脱离时间随着过热度增加而减小。过热度对疏水壁面气泡脱离直径影响不大,但是随着过热度增加,脱离时间明显减小。模拟结果为研究强化表面沸腾传热及表面润湿性的选择提供理论依据。

基于混合热格子Boltzmann方法的荷电液滴蒸发特性研究

本文采用混合热格子Boltzmann方法并耦合漏电介质模型,研究了电场作用下液滴在热壁面上的蒸发特性。结果表明,外加电场会对液滴的形貌、内部流动及传热产生影响。液滴在电场力作用下会沿着电场方向被拉长,液滴接触角变小,液滴内部形成与Marangoni流动方向一致的一对涡流。对于所有液滴,加热壁面向液滴传递的平均热流密度与液滴的接触线密度成线性关系,电场是通过改变液滴接触线密度(CLD)来影响液滴的蒸发传热。

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方法的动压气体轴承黏性热耗散研究

箔片气体轴承微间隙内的流场常处于滑移区,甚至过渡区,会出现一些微观效应,其热特性的研究采用宏观方法已不再合适。为研究不同工况下动压气体轴承间隙热特性变化规律,基于格子Boltzmann方法建立包含黏性热耗散项的径向轴承间隙传热数值模型;采用总能形式的双分布函数热模型,通过有限差分离散将其应用到贴体网格中,同时引入速度滑移和温度阶跃边界条件,通过数值计算得到不同参数下的轴承间隙气膜温度分布,并分析了不同埃克特数(Ec)、偏心率和转速条件以及温度阶跃对黏性热耗散的影响。结果表明,当Ec数、偏心率和转速增大时,气膜最高温度增加,两侧的温度阶跃增加;温度阶跃效应的忽略均会导致黏性热耗散量不同程度的低估。

基于格子Boltzmann的混合过程建模与流致振动特性

为了探究静态混合过程中的内流冲击与流致振动特性,提出结合大涡模拟(LES)方法的介观多速度分量格子Boltzmann流固耦合模型.针对静态混合过程伴随强剪切、回流反冲、壁面冲击等特点,以静态混合器为研究对象,对静态混合过程建模,并提出流场-结构场弱耦合求解策略.通过此方法研究静态混合器不同位置位移形变、不同入口速度和不同静态混合器叶片夹角对管壁振动响应的影响.结果表明,叶片作用可以将流体轴向速度转换为切向和径向速度;在入口流速相对较大时,内部流场对静态混合器的振动频率及振幅的影响较为明显;改变混合叶片夹角,会影响流场剪切引流作用,对其纵向位移和轴向位移影响显著,且主要影响低频段.

方腔内双扩散混合对流非线性格子Boltzmann研究

采用格子Boltzmann方法对方腔内双扩散混合对流的非线性特性进行数值模拟.发热圆位于方腔中心,流体从方腔左侧底部流进,流出位置分别为顶部右侧、中间和左侧三种情况.结果表明,不同参数下的双扩散混合对流存在稳态定常解、周期性振荡解和非周期性振荡解,监测点速度相图分别表现为最终到达一个点、一个封闭环和没有规律的曲线.

多孔介质方腔内混合对流格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法,对多孔介质方腔内的混合对流现象进行研究.方腔内部中心有一发热圆,径宽比D/L=0.4,冷流体从方腔左下角入口流进,从方腔左上角出口流出,四周壁面绝热.在普朗特数Pr=0.71和格拉晓夫数Gr=1.4×10~4时,分析理查德森数Ri和达西数Da对发热圆表面平均努赛尔数Nu的影响.结果表明:Ri数位于10-3~10范围内,Nu随Ri的增大而减小.Da越大,Ri对Nu的影响越显著;Da数位于10-5~10-2范围内,强制对流占主导的情况下(Ri≤0.1),Nu随着多孔介质的Da的增大而增大.自然对流占主导的情况下(Ri=10),Nu对Da的变化不敏感.

用格子Boltzmann研究多孔介质内的自然对流换热问题

用格子Boltzmann方法研究了方腔内二维多孔介质由于不均匀温度分布产生的浮力效应而引起的自然对流传热问题.通过数值模拟得到了多孔介质内流体的流场和温度场.详细讨论了孔隙度对自然对流传热的影响,并对孔隙度变化情况下的自然对流传热问题也进行了探讨.研究结果表明,在孔隙度恒定,且Da数比较小(≤10-6)的情况下,当Ra数较低时,孔隙度对自然对流传热的影响很小,当Ra数足够大时需要考虑孔隙度变化的影响;而在Da数较大(≥10-2)情况下,孔隙度对自然对流传热的影响非常明显.在孔隙度线性变化情况下,中间孔隙度c对自然对流传热有一定的影响,且对流与传热随着c的增大而变得剧烈.

基于热格子Boltzmann方法的自然对流数值模拟

对Eggels和Somers提出的热格子Boltzmann格式进行了改进.在不可压缩流动的假设下,提出了一种新的温度平衡分布函数,可以克服压缩性对温度统计的影响,并且相应地修正了统计宏观温度的方法.Eggels和Somers的方法对速度和温度均采用半步长反弹格式边界条件,适合无滑移的速度边界条件.但是对温度采用该边界条件在物理本质上显得不够准确,所以在边界上对二者统一采取算法既简单又容易实现的非平衡态外推格式,同时可以与Boltzmann格式的整体二阶精度保持一致.最后,利用改进的热格子Boltzmann方法（TLBM）模拟了Ra=10^6和Pr=0.71（空气）的方腔中的自然对流,模拟得到的流动参数与其它数值方法的结果吻合得很好,表明改进的热格子Boltzmann方法可以有效准确地模拟非等温流动.

13速格子Boltzmann方法的热流体力学方程

采用１３速六方格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法研究热流体力学碰撞项采用单驰豫时间的格子ＢＧＫ模型．局域平衡分布展开到ｕ３项，最后以速度的二阶恢复ＮａｖｉｅｒＳｔｏｋｅｓ方程。

格子Boltzmann方法模拟泡沫金属内相变材料热传导融化传热过程

基于局部热非平衡条件下泡沫金属内热传导融化相变传热的非线性双温度方程,在表征单元尺度上构建双温度分布函数格子Boltzmann模型,其中相变非线性源项处理采用焓法迭代求解。数值模拟了金属骨架与相变材料的温度分布情况,重点分析了孔径、金属骨架与填充材料热传导比和Stefan数等对局部热非平衡效应的影响。模拟结果表明,孔径越大、金属骨架与填充材料热传导比越大,局部热非平衡效应越明显;相变过程的存在,加大了局部热非平衡效应,并且Stefan数越低局部热非平衡效应则越大。

热格子Boltzmann方法分析及应用

格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)是一种基于气体动理论的介观计算方法,其物理背景清晰、边界处理简单,已成功应用于等温(或无热)流动中.简要介绍现有的几种热格子Boltzmann模型,并运用几种热格子模型求解热Couette流、方腔自然对流等典型算例,对比不同热格子模型的数值稳定性、准确性、模型的计算效率等.将两种热格子模型用于多孔介质内的流动与传热问题中,对比热格子模型在处理复杂结构时的数值特性.

基于格子Boltzmann方法的方腔内自然对流与换热的数值模拟

基于双分布格子Boltzmann模型,建立了适合于流体流动和换热的热格子Boltzmann模型.温度分布函数中采用D2Q9离散速度模型.以热格子Boltzmann模型,模拟了方腔内自然对流的形成及其演化,通过与相关文献的计算结果对比可以发现,热格子Boltzmann模型在处理流体流动与传热方面存在着独特的优点,文中建立的数值模拟计算方法和程序是切实有效的.

热波方程的格子Boltzmann模型

用格子Boltzmann方法(LBM)研究热波方程,构建了热波方程的格子Boltzmann模型,运用该模型对一维和二维热波问题进行数值模拟,并将LBM数值解与其他经典结果进行比较,表明该方法可以用于模拟热波问题.

微尺度下润湿性表面对双气泡传热特性的影响

为探究混合润湿表面双气泡生长过程的特点和传热特性,利用格子Boltzmann方法研究混合润湿性表面不同因素对生长和传热过程的影响规律。结果表明:对于纯润湿性表面,随着润湿性的降低,气泡成核时间减少,气泡脱离表面时间呈增加趋势,双气泡生长过程的平均热流密度呈减少趋势。混合表面可以实现相比纯润湿性表面更高的脱离频率和更好的换热效果,混合润湿表面整体脱离频率在(L_(q)/△x)>0.37(△x<30)时呈增加趋势,在(L_(q)/△x)≤0.37(△x≥30)时呈降低趋势;同一距离L_(q)/△x不同疏水尺寸的脱离频率在(L_(q)/△x)>0.37(△x<30)时呈先降低后增加趋势,在(L_(q)/△x)≤0.37(△x≥30)时呈增加趋势;同一距离L_(q)/△x不同疏水尺寸的平均热流密度在(L_(q)/△x)>0.37(△x<30)时呈降低趋势,L_(s)=3(L_(s)/L_(q)=0.27)是最佳换热尺寸,在(L_(q)/△x)≤0.37(△x≥30)时呈先增加后降低趋势,L_(s)=5(L_(s)/L_(q)=0.45)为最佳换热尺寸。

低雷诺数下矩形竖腔内混合对流的格子Boltzmann方法模拟

文中采用格子Boltzmann力矩模型模拟了不同纵横比(A)、瑞利数(Ra)、雷诺数(Re)下两维矩形腔内的混合流动,得到不同条件下矩形腔内的流线和等温线图,并描述了其特点。模拟结果表明,在低雷诺数下,当强制对流占主导时,换热可看作矩形腔内上部强制对流换热Nu_(cv)加权该部分尺寸与下部导热Nu_(cd)加权下部导热尺寸的综合作用结果。得到整体换热强度随纵横比变化的经验公式,并给出其适用范围。

用格子Boltzmann方法数值模拟混合层中旋涡的合并过程

用格子Boltzmann方法计算混合层中的流动问题。在流场的入口处加不同频率、振幅和相位的小扰动,观察混合层中旋涡的演进机理,模拟二维混合层中旋涡合并现象。在基本扰动波的基础上,又加入频率为基本波频率一半的亚谐波,得到了两个涡合并的计算结果,当加入的亚谐波频率为基本波频率的三分之一时,得到了三个涡合并的计算结果。这些计算结果与已有文献的结果基本一致,显示用格子Boltzmann方法模拟混合层问题是可行的。

纳米复合相变材料融化传热特性的格子Boltzmann方法研究

基于双分布函数模型方法,建立了一个模拟伴随有液相自然对流的纳米复合相变材料融化传热过程的格子Boltzmann方程模型.其中温度分布函数方程的构建采用直接基于焓方程的方法 ,避免传统方法需要迭代处理源项,提高了计算效率.应用该模型对方腔内纳米流体自然对流传热过程进行模拟,模拟结果与文献结果吻合较好;在此基础上对纳米复合相变材料融化过程进行模拟.结果表明,有效黏度系数的变化对纳米复合相变材料融化传热有着至关重要的影响,偏高的黏度系数可能会抑制纳米流体相变换热过程.此外,在给定的纳米粒子体积份额情况下,区域相变材料融化传热性能随Rayleigh数的增大而增强.

底部局部加热多孔介质自然对流传热的格子Boltzmann模拟

运用格子Boltzmann方法研究了底部局部加热多孔介质方腔的自然对流传热.方腔的上壁面为低温热源,下壁面为局部高温热源,左右壁面为绝热条件.重点分析了高温热源位置a及尺寸b对多孔介质方腔自然对流传热性能的影响,提出了平均Nusselt数Nu和位置a及尺寸b的拟合关系式.研究结果表明:高温热源位置及尺寸对多孔介质方腔内自然对流传热性质的影响很大,且存在最佳高温热源位置(a=4/16)和尺寸(b=0.75),以达到最强的对流换热强度(Nu_(max)≈10.35)和最大的对流换热量(Q_(max)≈5.69).

非正交多松弛系数轴对称热格子Boltzmann方法

提出了一种模拟轴对称热流动的非正交多松弛系数格子Boltzmann(MRT-LB)模型.通过采用非正交转换矩阵,建立了基于D2Q9离散速度的求解流场的MRT-LB模型和基于D2Q5离散速度的求解温度场的MRT-LB模型.Chapman-Enskog分析表明,该模型可以恢复对应的柱坐标下的宏观连续方程、动量方程和能量方程.与现有的轴对称MRT-LB模型相比,本文采用的非正交转换矩阵中含有更多的零元素,因而具有更高的计算效率.采用本文模型对几种典型的轴对称热流动问题,包括热Womersley流动、竖直圆柱体内的Rayleigh-Bénard对流和环形柱体内的自然对流进行了数值模拟,通过等温线图和流线图以及定量数据的对比,验证了本文模型的可行性和可靠性.并且数值模拟结果表明,相对现有模型,本文模型具有更好的数值稳定性和计算效率.