基于格子玻尔兹曼法的双分支肝血窦模型的血流特性研究

肝脏在人体中发挥着重要功能,脂肪肝的发生总是伴随着肝内血流动力学的变化,导致狄氏间隙内异常的血流流动现象。在低血流剪切力区会存在脂肪滴和脂蛋白的沉积。这些物质会使内皮细胞窗孔减少,改变内皮层通透性,进而改变肝血窦内血流。因此,研究肝血窦内皮层渗透性及其病理改变对血流的影响,对肝脏病变机理研究具有重要科学意义。

时间步长对格子玻尔兹曼法模拟室内气流精度的影响

基于格子玻尔兹曼法的大涡模拟(LBM-LES)是湍流模拟的新方法,但不恰当的时间步长δt可能会影响其计算精度。首先理论总结了δt可能对LBM-LES湍流模拟造成的影响,阐明过大的δt会导致速度场产生压缩性误差,而过小的δt会导致超松弛碰撞产生速度场的数值振荡。其次,通过对等温室内气流案例进行LBM-LES模拟,定量讨论了δt引起的压缩性误差和数值振荡问题。结果表明,δt较大时流场密度变化剧烈,且格子玻尔兹曼单位的马赫数(M)超过0.3的区域中速度场产生了明显的压缩性误差。同时,过小的δt导致平均及脉动风速均产生了数值振荡,这在网格分辨率较高时尤为明显。建议模拟时在确保δt足够小以满足最大风速区域的M<0.3的基础上,尽量增大δt以防止产生数值振荡。

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。

纳米SiO_2材料声子热输运的格子玻尔兹曼法模拟

根据德拜物理模型,采用格子玻尔兹曼方法(LBM)对纳米二氧化硅薄膜内的声子热输运特性进行了模拟分析,得到了薄膜内的温度响应特性;在此基础上,分析了其法向有效导热系数。计算结果表明,当努森数大于0.01时,薄膜边界处出现温度跳跃,呈现出明显的微纳米尺度传热特性;当薄膜厚度小于20nm时,减小厚度可使其有效导热系数迅速降低;当薄膜厚度大于20nm时,其有效导热系数趋于恒定。

基于格子玻尔兹曼方法的碳酸盐岩数字岩心渗流特征分析

基于不同分辨率的碳酸盐岩二维扫描电镜(SEM)图片,利用模拟退火法分别建立相应的大孔隙和微孔隙数字岩心,提出一种新的叠加耦合方法,构建能反映不同尺度孔隙特征的碳酸盐岩数字岩心,利用格子玻尔兹曼方法对数字岩心的渗流特征进行分析。结果表明:模拟退火法构建的数字岩心能够较好地表征真实孔隙之间的连通特性;叠加后的数字岩心能同时描述大孔隙和微孔隙特征,其渗透率(1.64×10-3μm2)均大于大孔隙数字岩心(1.12×10-3μm2)和微孔隙数字岩心(0.036×10-3μm2),微孔隙虽然本身渗透率很低,但对提高整个碳酸盐岩数字岩心的连通性有重要作用。

基于格子玻尔兹曼方法的二维柔性梁与刚性方柱相互作用的数值研究

建立一套适用于处理刚体-柔性体-流体的复杂流固耦合问题的数值方法,即浸入边界法、格子Boltzmann方法、时间异步算法相结合的数值算法。对均匀来流中单根梁的周期性摆动、带弹性支承的方柱振动进行数值模拟,并将模拟结果与已有研究成果进行对比分析,结果发现本文采用的数值方法可以很好地模拟刚体-柔性体-流体的复杂流固耦合问题。然后对低雷诺数下(Re=100),流向角α=45°时,带弹性支承方柱后有柔性梁的流固耦合振动情况进行研究,通过分析方柱的振幅和升阻力系数,探讨方柱振动响应随折减速度的变化规律,以及周围流场的流态与其演变过程。

采用玻尔兹曼统计法分析光阱刚度的测量精度

考虑高精度的光阱刚度测量是光阱力测量的关键,本文提出了采用玻尔兹曼统计法来分析光阱刚度的测量精度。首先,描述了实验室搭建的近红外光镊系统,并将其搭建在暗室中的气垫平台上,以便隔离光干扰和振动干扰。然后,用四象限光电探测器探测被光镊捕获的微球向后散射的光,并选用与溶液黏度无关的玻尔兹曼统计法计算样品池底面附近的光阱刚度。最后,分析和讨论了溶液温度的变化、四象限光电探测器的灵敏度、采样频率以及采样时间对光阱刚度测量精度的影响。理论分析及实验计算显示：溶液温度的变化对光阱刚度的测量影响很小,但四象限光电探测器的灵敏度对光阱刚度测量精度影响较大。考虑采样的完整性和数据处理速度,采样频率通常取为被捕获颗粒拐角频率的5-10倍。对于本文搭建的近红外光镊测量系统,采样时间取为1-7s时,可以保证高精度地测量光阱刚度。

基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法的流固耦合算法研究

针对流固耦合问题,发展了基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法(immersed boundary method multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver,IB-MRT-LBFS)的弱耦合算法.依据多尺度Chapman-Enskog展开,建立不可压宏观方程状态变量和通量与格子玻尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系;采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,根据修正的速度求解动量方程力源项;结构运动方程采用四阶龙格-库塔法求解.格子模型与浸入边界法的引入使流固耦合计算可以在笛卡尔网格下进行,无需生成贴体网格及运用动网格技术,简化了计算过程.数值模拟了单圆柱横向涡激振动、单圆柱及串列双圆柱双自由度涡激振动问题.结果表明,IB-MRT-LBFS能够准确预测圆柱涡激振动的锁定区间、振动响应、受力情况以及捕捉尾流场结构形态,验证了该算法在求解流固耦合问题的有效性和可行性.

确定性横向迁移中液固两相流的三维格子玻尔兹曼模拟

确定性横向迁移(DLD)在粒子分选领域中应用较为广泛,采用三维格子玻尔兹曼法,对DLD中的流场特性和粒子临界偏转半径进行了研究。对比了圆形和鹅蛋形DLD中的流场特性,计算了两者的粒子临界偏转半径。仿真发现了非圆微柱能增加有效工作区,改善粒子堵塞,与文献[20]中的结论相符,揭示了不同的微柱形状和边界对流场的均匀性的影响机理,对DLD装置的优化设计具有指导作用。

非对称弯道粒子惯性迁移行为的格子玻尔兹曼模拟

采用三维格子玻尔兹曼方法,结合粒子离散相模型,对周期性非对称弯道中的粒子惯性迁移特性进和截面二次流及不同曲率半径弯道中截面二次流的分布情况进行分析,找出粒子聚焦速度和粒子滞留与粒子尺寸间的关系,为深入研究复杂流场环境下粒子运动特性及微流控芯片设计提供了一定参考依据。

多种任务调度混合的IB-LBM并行优化方法

在使用浸入边界-格子玻尔兹曼方法(IB-LBM)求解流场时,为了得出比较精确的结果,往往需要规模较大、较密集的流场网格,这就会造成模拟过程时间长的问题。为了提高模拟的效率,利用IB-LBM局部计算的特点,结合OpenMP中三种不同的任务调度方式,给出了IB-LBM的并行优化方法。在并行优化中混合使用三种任务调度方式,以弥补单一任务调度造成的负载不均衡问题;将IB-LBM进行结构化分解,测试每一结构部分的最优调度方式,根据实验结果选择最优的调度组合方式,而在不同线程数下,最优的组合方式是不同的。优化结果通过并行加速比来检验,可以得出:在线程数较少的情况下,加速比趋近于理想状态;在线程数较多的情况下,虽然线程开辟和销毁的额外时间消耗对性能的优化产生了影响,模型的并行性能仍有了很大的提升。流场的模拟结果显示,在进行并行优化后,IB-LBM对流固耦合问题模拟的准确性并没有受到影响。

改进的LB图像修复模型及其算法

针对格子波尔兹曼(LB)模型模拟图像修复过程,提出了一种基于P-Laplace算子的改进LB图像修复算法。该方法利用P-Laplace算子的非线性各向异性扩散性来填补受损区域,并且忽略了梯度对修复过程的影响。实验结果表明,改进后的LB修复模型,其修复效果比TV和CDD模型好;与LB模型具有相似的修复效果,却比它具有更快的修复速率,适用于苹果采摘机器人视觉系统中对树枝遮挡部分的修复、老照片修复,以及文字移除等领域。

基于格子波尔兹曼的图像修复模型研究

在研究格子波尔兹曼图像修复模型的基础上,提出了一种改进的模型,该模型通过引入调节函数,使图像在梯度变化较大的区域减弱其扩散强度,在梯度变化较小的区域增强其扩散强度,同时引入调节因子来控制其作用强度。实验结果证明改进后的模型具有更好的修复效果。

玻尔兹曼曲线法在土壤激光诱导击穿光谱谱线识别中的应用研究

在激光诱导等离子体满足局部热平衡的情况下,玻尔兹曼曲线法是计算等离子体温度的一种重要手段,对该方法的应用进行了引申和扩展。实验验证激光诱导等离子体处于局部热平衡状态,利用Fe的多条原子谱线建立玻尔兹曼曲线,根据建立的曲线对Fe的其他原子谱线强度进行了反演,反演结果与实验测量结果误差在15%以内。土壤中Fe、Ti、Ca等元素的特征谱线较多,易与其他元素的特征谱线产生重叠,通过这种方法能实现部分谱线的识别与判定,通过建立Mn的玻尔兹曼曲线,求出了Mn 405.89 nm谱线的强度,并分析其对Pb 405.78 nm谱线的影响。研究结果表明,玻尔兹曼曲线法可以对谱线识别起到辅助作用,并且可以加深对定标曲线截距的认识。

不同孔-缝-洞组合碳酸盐岩储层气水两相孔隙尺度流动模拟

碳酸盐岩储层孔缝洞组合类型多样,从孔隙尺度刻画和认识气水两相在不同类型储层中的流动规律具有重要的科学意义。建立了适用于深层碳酸盐岩储层气水两相流动的多松弛颜色梯度格子玻尔兹曼模型(LBM),实现了气水两相在多孔介质中的可视化模拟,揭示了成藏过程(气驱水)和水侵过程(水驱气)不同孔缝洞组合流动通道中的气水两相动态流动行为。研究表明,碳酸盐岩气藏成藏过程中主要存在的残余水类型有盲端孔隙水、洞穴边部残余水、水膜水、“H型”残余水和网状残余水;水侵过程中,主要存在的封闭气类型有盲端孔隙封闭气、变径卡断气、绕流封闭气、“H型”封闭气和网状封闭气;由于洞穴体积较大,成藏和水侵过程中缝洞型储层残余水饱和度和封闭气饱和度均最大;裂缝型和缝洞型储层的气相渗流能力随含水饱和度变化波动明显,呈非线性变化规律。研究成果可为深层碳酸盐岩气藏微观渗流、水侵动态预测等提供理论支撑。

基于流固耦合模型的车门密封条隔声研究

采用浸入边界-格子玻尔兹曼法建立密封系统流固耦合模型,研究不同预压缩量下的密封条隔声。利用浸入边界法建立密封条的力学模型,同时用格子玻尔兹曼法模拟周围流体,两者结合完成实际车门密封条系统的二维简化计算模型。通过比较动态载荷下有限元和浸入边界模型的模拟结果,验证了系统建模的有效性。设计并搭建密封条隔声试验台架,可测量不同预压缩条件下的隔声。试验与仿真的结果相互验证,结果显示,有效挤压下密封条隔声量随着预压缩量缓慢上升,而产生缝隙后隔声量将显著下降。研究证明浸入边界-格子玻尔兹曼法处理流固耦合建模简便且计算效率高,在汽车密封系统相关的失效、隔声、泄漏噪声等问题上有广泛的应用前景。

曳力模型对喷动床气固两相流数值模拟结果影响的介尺度分析

为探究不同曳力模型在喷动床稠密气固两相流数值研究中的适用性及准确性,基于开发的介尺度格子玻尔兹曼-离散单元法(LBM-DEM)耦合流动程序,分别采用Syamlal-O’Brien、Gidaspow、EMMS三种曳力模型对微型喷动床进行了数值模拟。比较分析了不同曳力模型下的结果差异,并通过实验验证了各模型预测结果的准确性。研究表明:三种曳力模型都能完整展现喷动床内气泡演化及颗粒流化的全过程,其中EMMS模型的整体预测结果与实验值最相吻合,能较好展现床内非均匀流化过程的细节,模型整体适用性最好;Gidaspow模型在均质流态的气泡演化过程中更具优势;Syamlal-O’Brien模型所计算的曳力值始终偏高,需注意规避可能引起的边壁效应影响。以上研究结果及方法可为广泛领域稠密流体-颗粒两相系统研究提供参考。

丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型

针对丘陵-平原-湿地复合地区降雨径流数值模型较少、而已构建的模型对水文要素空间分布和湿地区水流运动又反映不足,采用格子玻尔兹曼法和有限元法构建丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型。在模型构建过程中将复合区分为地势起伏较大的上游丘陵区和下游地势变化较小的平原湿地区。上游丘陵区降雨采用距离平方倒数法计算降雨空间分布、采用格子玻尔兹曼法建立非饱和区土壤水运动模型、利用达西公式建立饱和区水流运动模型、利用格子玻尔兹曼法构建汇流数值模型,进而构建了上游区的降雨径流数值模型。平原湿地区采用基于有限元四边形单元构建了水流运动数值模型。平原湿地区入口边界采用上游区降雨径流数值输出的流量过程,平原湿地区出口边界采用基于格子玻尔兹曼法的汇流模型计算的水位过程。四边形单元有限元求解水流运动方程实现了上、下游区的无缝连接,模型使用比较方便。以挠力河流域为研究对象进行了降雨径流和平坦区水流运动模拟研究,模拟结果良好,说明模型较为可靠。

几何参数对三维仿生运动翼推进性能的影响研究

为了研究几何参数对三维仿生运动翼推进性能的影响,基于IB-LBM算法开发了可在天河2号超级计算机上运行的大规模并行求解器。实现过程包括用浸入边界法在翼型表面构造力函数,并通过插值函数将翼型表面的力函数分散到周围流体网格点,然后通过格子波尔兹曼方法进行流体计算,更新速度场。以椭球翼、平板翼、NACA0012翼、长方体翼为研究对象,系统研究了仿生翼的几何形状对推力系数与涡系结构的影响。研究表明:椭球翼表面的涡系结构饱满且距离翼型表面最近,其推进性能最好;NACA0012翼和平板翼的涡系结构类似,推进性能相近;长方体翼由于钝体效应导致涡系结构细小且距离翼型表面较远,其推进性能最差。研究结果表明,在仿生飞行器设计中,应避免采用类似于长方体外形的钝体仿生翼,椭球翼推进性能最佳,但是由于椭球型质量分布导致对仿生飞行器连接部位质量要求较高,可采用推进性能相近的平板翼。

夏热冬冷地区绿色建筑外墙节能特性的LBM模拟及效益分析

针对夏热冬冷地区绿色建筑中外墙的典型保温方式和常见保温材料,采用多松弛时间格子玻尔兹曼方法建立瞬态共轭传热数值模型,分析间歇耗能条件下墙体的瞬态热传导过程,进而得出不同类型保温外墙的节能特性。在此基础上,发展保温墙体增量综合效益的计算方法,分析绿色建筑外墙的增量成本及其增量效益,进而建立外墙增量综合效益评价模型,获取保温外墙最优设计方案。研究数据表明,采取内保温方式的外墙在该地区具有最佳的节能特性,尽管采用不同保温方式和保温材料的外墙均具有一定的节能特性,然而,在其全生命周期内,使用外保温方式以及增量成本较高的保温材料的墙体的增量综合效益出现负值,因此,不适宜在工程实践中应用。此外,研究结果显示,尽管增加保温层厚度可以在一定程度上强化外墙的保温性能,然而,增加保温层厚度会产生额外的增量成本,因此,绿色建筑项目实践中应综合考虑墙体节能特性及其增量成本进而选取适宜的保温层厚度,从而实现其全生命周期内增量综合效益的最大化。