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.

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。

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.

浸没边界–简化热格子Boltzmann方法研究及其应用

针对流固耦合传热问题,本文提出了一种基于浸没边界–简化热格子玻尔兹曼方法 (immersed boundary method–simplified thermal lattice Boltzmann method,IB-STLBM)的耦合模型.不同于传统的格子玻尔兹曼方法使用分布函数演化流场和温度场,简化热格子玻尔兹曼方法 (simplified thermal lattice Boltzmann method,STLBM)的演化过程不需要依赖分布函数,只涉及平衡态分布函数和非平衡态分布函数,能够直接演化宏观量,极大减小了计算过程中所占用的虚拟内存,简化了边界条件的实现方式,同时具有较高的稳定性.传统的浸没边界法对流场的计算采用欧拉网格,对固体边界采用拉格朗日网格,认为固体边界是对流场产生某种体积力.在应用浸没边界法时,汲取介观的思想,把固体的介入看作是对流场的干扰,打破了固体附近流体介观微团颗粒原始的平衡状态,这种干扰可以看作是在耦合边界上产生的一个非平衡项,可用非平衡态分布函数来表示.基于此,在模型中浸没边界法与简化热格子玻尔兹曼方法更紧密联系在一起,更大程度发挥二者的优点,整个计算过程更加简单直观,符合物理特性.通过对热圆柱绕流和内含热颗粒的封闭方腔自然对流问题的模拟以及对其结果的分析,验证了该算法在求解流固耦合传热问题的有效性和可行性.

流体流动传热性能的热格子Boltzmann模拟

采用耦合温度的方法构建一类新的热格子Boltzmann模型,并对二维封闭方腔中流体的流动状态和传热进行模拟。数值结果表明,该模型克服传统模型的可压缩效应,在没有添加限制条件的情况下,节省了计算时间和提高了计算精度,并且以此模型动态模拟二维封闭方腔自然对流的结果与已有文献的结果吻合良好。

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.

分形多孔介质的流动与传热格子Boltzmann模拟

针对多孔介质内孔隙的尺寸、分布及连通性等结构方面的复杂性和随机性,采用分形谢尔宾斯基地毯模型来实现不同孔隙率及孔隙构造,并利用双分布热耦合格子Boltzmann模型对工质的流动与传热过程进行了数值模拟。在此基础上,研究了同一孔隙结构物理模型下孔隙率和压降对渗透率的影响,探讨了同一孔隙率下压降与不同固相基质结构入口流量之间的关系,并探究了固相基质的热导率及孔隙结构在孔隙流动与传热过程所起的作用。结果显示:建立的数值计算模型能正确地描述多孔介质内的流场及温度场;不同孔隙结构及孔隙率的流线与速度云图反映了多孔介质内流线及流速的分布特征;通过增大压降及孔隙率,能够使渗透率得到提高;不同导热比及孔隙结构类型下的温度分布特征及其随时间的变化规律,能够为强化航空航天领域中相变储能材料的导热性能分析提供理论参考。

多孔介质内嵌热源引起的对流换热格子Boltzmann模拟

文中引入广义模型与能量方程来分别描述多孔介质内部的动量和热量传递,建立了底部嵌入矩形热源的二维多孔介质内自然对流的格子-Boltzmann(Lattice Boltzmann,LB)模型.通过和实验结果进行对比,验证了文中LB模型求解多孔介质内嵌热源引起的对流换热问题的正确性.系统地研究了Rayleigh数(Ra)、Darcy数(Da)和孔隙率ε等参数对多孔介质内温度场和流场的影响规律.研究结果表明:当Ra>10~5时,Ra的增加能够提升多孔介质的整体对流换热强度;当Da>10时,Da的增加能有效改善多孔介质内的流动换热情况;孔隙率的增加能够强化流动换热,但不会改变多孔介质的主导换热类型.

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。

求解流动传热问题的简化离散速度热格子Boltzmann通量求解器研究

热格子Boltzmann通量求解器(Lattice Boltzmann Flux Solver,LBFS)是求解流动传热问题的重要方法。传统热LBFS基于标准离散速度模型,在计算效率方面存在不足。针对该问题,本文发展了求解流动传热问题的简化离散速度热LBFS。基于包含较少离散速度的二维五速(D2Q5)模型,发展了求解热力学能方程的LB方法。采用有限容积法(Finite Volume Method,FVM)离散宏观控制方程,并在多尺度分析的基础上,通过所发展的LB方法计算界面宏观守恒量通量,采用显式时间推进方法更新单元守恒变量,实现了不可压缩流动传热问题的求解。最后,采用方腔内部自然对流和同心圆环内部自然对流等两个经典算例验证了所发展热LBFS的计算能力与精度。

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.

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。

分形多孔介质传热传质过程的格子Boltzmann模拟

针对自然界中实际多孔介质具有的分形特性和随机性,利用中点替代算法和二值化处理构造统计上具有分形特性的随机多孔介质。分析了所构造的多孔介质盒维数与Hurst指数之间的关系。基于随机分形构造的原理,对二维实际多孔介质图像进行了重构。利用两点相关函数,分析了重构图像的结构相关性,并与实际目标多孔介质的结构特征进行比较。在与解析解对比验证的基础上,将基于二元混合理论的格子Boltzmann模型(LBM)用于模拟多孔介质内流体扩散过程。通过计算不同分形特性的二维多孔介质的有效扩散系数,研究了重构多孔介质的分形维数与有效扩散系数的关系。利用热耦合LBM模型计算多孔介质内传热过程,分析了不同的分形特性对多孔介质蓄热过程的影响。

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.

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。

热动力学格子Boltzmann模型

提出了一类热动力学格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ模型，其分布函数中含有内能项与高阶速度项。以三个ＨＰＰ模型为基础，建立了一个三迭加ＨＰＰ格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ模型，并给出其局部平衡分布函数。设计了热动力学现象模拟中的外力处理方法和温度边界条件处理方法，用该模型成功地模拟了Ｂｅｎａｒｄ热对流现象。

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。

磁流体流动与传热的格子Boltzmann模拟

考虑外加磁场下磁流体中纳米磁性粒子所受的各种作用力,建立了用于模拟磁流体流动与传热特性的两相格子Boltzmann模型,模拟了外加不同方向梯度磁场下平板间磁流体的流动与传热过程,计算了磁流体与平板间对流换热的Nusselt数,分析了磁场梯度方向、大小对Nusselt数的影响．

格子Boltzmann方法模拟高Darcy数多孔介质内融化传热过程

采用Brinkmann-Forchheimer-Darcy方程描述多孔介质内流动过程,并通过选择合适的平衡态分布函数及非线性源项形式构建出表征融化相变温度场的分布函数演化方程。应用格子Boltzmann模型模拟了方腔内无多孔介质以及填充多孔介质自然对流融化传热过程,模拟结果与其他文献结果吻合较好,模型的正确性得到了一定的验证。模拟结果还表明液相的自然对流对融化传热过程有着重要的影响,并且在高Rayleigh数或高Darcy数情况下作用更强。在高Darcy数情况下由于非Darcy效应的存在,增大Rayleigh数以强化融化传热的效应要大于提高同样倍数Darcy数的效应。

格子Boltzmann方法模拟自然对流作用下融化传热过程

建立自然对流作用下融化的格子Boltzmann双分布函数模型,根据非线性对流扩散方程的格子Boltzmann模型理论提出一个新的表征融化温度场的分布函数演化方程,并通过变松弛时间方法处理固液两相变热物性传热问题.应用模型对热传导融化及自然对流融化特别固液变热物的融化过程进行模拟.模拟结果与分析解、经典的关联式结果吻合较好,模型的正确性得到了验证.模拟结果表明,自然对流对融化传热过程有着重要的影响,此外固相热传导也对融化传热、融化速率及固液两相温度分布都有一定影响.