幂律流体顶盖驱动流中的颗粒运动

采用扩散界面格子Boltzmann模型研究了圆形颗粒在幂律流体方腔流中的运动,重点分析了初始位置、幂律指数、颗粒大小对圆形颗粒在幂律流体顶盖驱动流中的运动的影响.数值结果表明不同初始位置的圆形颗粒最终均能稳定在极限环上运动.不同幂律指数的幂律流体对圆形颗粒运动的极限环有明显影响,对于剪切增稠流体,颗粒的运动速度明显增大,极限环半径明显缩小;对于剪切稀化流体,左下角和右下角的次级涡收缩,极限环向方腔的右下角移动.圆形颗粒较小时,颗粒的运动速度较快,运动半径较大,运动轨迹更接近流体的流线;圆形颗粒较大时,受到边界的限制,极限环半径较小,运动速度较慢.此外,还讨论了颗粒对顶盖驱动流主涡涡心位置的影响,颗粒会将主涡涡心推向远离颗粒的方向.

基于格子Boltzmann方法模拟方腔顶盖驱动流

格子Boltzmann方法是使用时间和空间完全离散的细观模型来模拟流体宏观行为的一种新方法,模型的平均行为符合宏观的Navier-Stokes方程。给出了格子Boltzmann方法详细的求解过程,提出了一种简化的固壁边界条件处理方法。用格子Boltzmann方法对方腔顶盖驱动流进行了数值模拟,并对模拟结果进行了分析和讨论。通过与前人已有的试验及数值研究结果对比,验证了格子Boltzmann方法的正确性。

QUICK和乘方格式在顶盖驱动方腔流动数值计算中的比较

推导了非均分网格系统中QUICK格式附加源项的表达式 ,并用QUICK和乘方两种差分格式 ,分别对不同网格数下的二维、三维顶盖驱动方腔流动进行了数值计算。通过与文献中基准解的比较 。

LATTICE-BOLTZMANN方法及其在顶盖驱动流数值模拟中的应用

Ｌａｔｔｉｃｅ－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法（以下简称ＬＢ方法），作为一种新的数值计算方法，在近十年得到迅速发展。本文对ＬＢ方法的基本思想及实施方法进行了概括介绍，并将该方法运用到顶盖驱动流的计算中，所得结果与基准解吻合良好。

基于格子Boltzmann方法的幂律流体二维顶盖驱动流转捩研究

研究非牛顿流体转捩问题,可为调控非牛顿流体动力特性提供理论基础.相对于牛顿流体转捩问题,非牛顿流体转捩研究较少,缺乏转捩雷诺数精细预报方法.论文以格子Boltzmann方法为核心求解器,以典型非牛顿流体幂律模型为例,开展了幂律流体二维顶盖驱动流转捩模拟,给出剪切变稀和剪切增稠流体的第一转捩雷诺数,并分析了转捩雷诺数附近流场时频域特性及模态分布.结果表明,剪切变稀流体和剪切增稠流体的第一转捩雷诺数与牛顿流体差异显著,且在转捩临界雷诺数附近监控点处速度分量均呈现周期性变化趋势.通过对流场速度和涡量的本征正交分解发现,不同类型的流体在转捩临界雷诺数附近,前两阶模态均为流场的主模态,能量占比超过95%,且同类型流体不同雷诺数的主模态间具有相似的结构.

使用GAO-YONG湍流方程组对顶盖驱动方腔流的计算

运用SIMPLER方法、QUICK格式及交错网格技术求解GAO YONG湍流方程组 ,对二维顶盖驱动方腔流进行数值模拟 ,得到方腔内的涡量分布和方腔中心水平剖线上的速度变化曲线 ,并与DNS(DirectlyNumericalSimulation)结果进行定性对比 ,有较好的一致性 .结果表明 ,GAO YONG湍流方程组中与湍流多尺度现象相对应的机械能方程对此湍流方程组能够合理地模拟出顶盖驱动方腔流中复杂的湍流粘性分布以及湍流能量逆转现象起到了关键作用 .研究进一步证明了GAO YONG湍流方程组能够得到复杂流动的真实粘性场 .

高雷诺数顶盖驱动方腔流实验

为得到高雷诺数（1×10^5-1×10^6）条件下顶盖驱动方腔水流流场和速度分布,设计了边长为0.2 m和0.5 m的立方腔,并利用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry,PIV）对方腔流流场进行测量,分析方腔流流场特性和边壁对流场影响规律。结果表明：雷诺数达到5×10^5时方腔流中主涡旋发生变形,雷诺数从5×10^5增大到1×10^6过程中,中间的初级涡旋（Primary eddy,PE）继续变形,并分裂成两个涡旋;随着雷诺数的增大,顺流次级涡旋（Downstream Secondary Eddy Region,DSE）区域面积缩小,雷诺数为5×10^5时DSE区域可看到成型的涡旋,当雷诺数为1×10^6时,DSE区域继续缩小,在同样条件下看不到成型的涡旋;雷诺数增大的过程中各边壁的边界层变薄,边壁对方腔流流场特性影响明显。

镜像对称顶盖驱动方腔内流过渡流临界特性研究

流场过渡流临界特性是指流场因流动状态改变而引起的流场物理特性变化.如流动从定常演化为非定常周期性时,流动处于过渡状态的物理性质.它从根本上决定了流动演化模式和流场特性等物理规律,对认清流动现象的形成机理有重要意义.本文在之前腔体内流流场过渡流临界特性研究的基础上,针对镜像对称顶盖驱动方腔内流开展数值模拟和流场稳定性分析研究,捕捉各流动分岔点,如Hopf流动分岔点和Neimark-Sacker流动分岔点等,并揭示其对流场特性的影响;分析流场演化模式,随着雷诺数增大从定常状态依次演化为非定常周期性流动、准周期性流动和湍流;揭示各种流动现象的形成机理,如流动滞后、对称性破坏、能量级串等;分析流场拓扑结构,阐明流场镜像对称性和流场稳定性的关系.本文研究成果有助于揭示该流场的物理特性,进一步完善了内流流场特性的研究.研究发现,针对本文镜像对称方腔顶盖驱动内流,流场稳定性的破坏总是以Hopf流动分岔点的出现而发生并且伴随着流场对称性的破坏;流场演化模式符合经典的Ruelle-Takens模式;流动从定常状态演化至非定常周期性流动时存在流动滞后现象.

变高宽比空腔顶盖驱动流的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法构建空腔顶盖驱动流的数学模型,进行模型验证,并重点分析不同雷诺数Re下高宽比K对腔体流函数分布的影响.结果表明:Re=400,K=0. 25时,二级涡由两个变成了三个,除了左下角和右下角的二级涡之外,在一级涡的内部还出现了第三个二级涡,位于腔体的中上部; Re=2 000,K=0. 5时,腔体出现了两个一级涡,一个位于腔体左侧,一个位于腔体右侧,基本呈对称分布;当腔体高度增加时,腔体内只有两个一级涡,一个一级涡在上方,另一个一级涡在下方,二级涡则未出现; Re=2 000时腔体的流函数分布与Re=400时基本相同;腔体宽度对流函数分布的影响大于腔体高度.

局部全息格式用于环扇形顶盖驱动流的数值模拟

针对旋流燃烧器数值模拟中回流区伪扩散问题 ,在极坐标系下提出局部全息格式( LHDS) ,并运用 LHDS对环扇形空腔中顶盖驱动流进行了数值模拟研究 ,计算结果与文献吻合良好 .同时结果表明 ,LHDS计算精度高于乘方格式和迎风格式 ,可以在较大速度范围内得到足够精度的计算结果 .LHDS的计算程序比乘方格式简单 ,比迎风格式略微复杂 ;计算时间短于乘方格式 。

顶盖驱动流中胶束形态变化的耗散粒子动力学研究

利用耗散粒子动力学模拟方法研究了顶盖驱动方腔流条件下,线性两嵌段共聚物胶束形态的变化.结果表明弱的流场对胶束的形态影响不大,但是在中等强度流场的作用下,小胶束会融合并形成条状胶束,而在很强的流场作用下,胶束会被破坏而形成体积更小的球状胶束.

LB-SGS方法和MRT-LBM方法对高雷诺数顶盖驱动流的数值模拟对比

针对格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)广泛采用的LBGK模型虽然简单易行,但对高雷诺数流动模拟稳定性不佳的问题,分别采用结合亚格子模型的LBM(LBM with Sub Grid Scale(SGS),LB-SGS)方法和多松驰时间LBM(Multiple Relaxation Time(MRT)LBM,MRT-LBM)方法对高雷诺数顶盖驱动流进行数值模拟.取Re=7 500对比2种方法得到的涡位置与标准解之间的误差,结果表明LB-SGS方法更接近标准解;保持雷诺数和顶盖速度不变并减少格点数观察收敛情况,结果表明MRT-LBM方法更稳定.

基于格子Boltzmann方法的顶盖驱动流数值模拟

格子Boltzmann方法是一种从介观角度来模拟流体宏观行为的方法,通过在时间和空间上使用完全离散的动力学模型来实现。利用Chapman-Enskog多尺度展开技术,我们可以将基本模型恢复到符合标准的不可压Navier-Stokes方程,给出了具体的求解过程。对于格子Boltzmann方程的边界处理,我们采用非平衡外推格式并给出了详细的推导说明。对于顶盖方腔驱动流问题,我们使用此方法进行了数值模拟,以及对模拟结果进行了分析和讨论。通过与已有的试验及数值研究结果对比,进行了鲁棒性分析,验证了使用格子Boltzmann方法模拟顶盖方腔驱动流的正确性、准确性和稳定性。

二维顶盖驱动半圆腔内流动MRT-LBM研究

本文采用多弛豫时间格子玻尔兹曼方法(multi relaxation time lattice Boltzmann method—MRT LBM)对二维顶盖驱动半圆腔内流动进行了数值模拟,得到了雷诺数为500～50000范围内半圆腔内流场分布情况。在二维顶盖驱动半圆腔流场中,随雷诺数的增大,流场内旋涡的数目逐渐增加,且流动依次呈现出稳定流、周期流、混沌流等状态。本文计算结果表明,MRT-LBM模型可显著提高计算的稳定性,适用于大范围的雷诺数流动情况。

复合方腔顶盖驱动双扩散混合对流格子Boltzmann模拟

为本文基于热质耦合的Lattice Bhatnagar-Gross-Krook(CLBGK)模型,通过引入浓度分布函数,利用格子Boltzmann方法对顶盖驱动的复合方腔内的双扩散混合对流现象进行了研究,复合方腔由多孔介质区域和自由空间组成。分析了路易斯数Le=2.0,浮升力比N=1.0,格拉晓夫数Gr=10~4和普朗特数Pr=0.7时,孔隙率(ε=0.6/0.7/0.8)、方腔中多孔介质层位置及理查德森数Ri(10^(-3)≤Ri≤10~3)对内部混合对流及热质扩散的影响。给出了方腔内温度、浓度和流线分布,以及高温高浓度壁面的平均努塞尔数Nu_(av)和平均舍伍德数Sh_(av)。研究结果表明:多孔介质层对顶盖驱动方腔内热质双扩散影响显著,且方腔左壁壁面平均努塞尔数Nu_(av)与平均舍伍德数Sh_(av),在位置D_1~D_3之间随多孔介质层的右移而增大,在位置D_3上随Ri(10^(-3)≤Ri≤10~3)的增大而减小。

顶盖驱动流胁迫浅水湖泊沉积物释放溶解性有机磷的水槽实验

为模拟自然生境下风生流对浅水湖泊沉积物的扰动并研究沉积物释放溶解性有机磷的特征,选取了某浅水湖泊沉积物为研究对象,对其人工污染溶解性有机磷,利用室内循环直流水槽的顶盖驱动流模拟湖泊风生流,考察静态和模拟风生流条件下,沉积物中溶解性有机磷释放特征。实验结果表明,静态条件下,沉积物中溶解性有机磷在实验初始释放量较大,0~10 h内释放浓度由0 mg·L^(-1)达到0.12 mg·L^(-1),其后释放量缓慢增加,在152 h达到最大释放浓度0.35 mg·L^(-1)后保持动态平衡。相对静态条件,模拟风生流作用下沉积物中溶解性有机磷释放速率明显增大,驱动流速为20 cm·s-1和38 cm·s-1的实验在起始时间段内,有机磷释放量是静态的2倍和3倍,释放达到平衡所需时间约是静态的1/10和1/24。但静态和动态条件下沉积物溶解性有机磷最终的释放平衡浓度相差不大,三者上覆水释放平衡浓度分别为:0.350、0.350和0.375 mg·L^(-1)。暗示顶盖驱动流促进沉积物溶解性有机磷释放速率增大,并不能显著增加释放总量。动态实验条件下,不同驱动流速时,黏性层和紊流的上覆水中溶解性有机磷浓度变化不同。0~5 h实验期间,黏性层溶解性有机磷浓度与近底流速呈正相关性,中层紊流区域的浓度则与近底流速呈负相关性。

三维曲面腔顶盖驱动流的MRT-LBM研究

采用多松弛时间格子玻尔兹曼方法(MRT-LBM)的D3Q15模型分别对长方体腔、圆柱腔、半圆柱腔、旋转双曲面腔、旋转椭球面腔、半球腔以及两种组合腔体的三维顶盖驱动腔流进行数值模拟,比较分析各腔体内流线分布、流速等值线分布和涡心的发展,对于典型腔体模拟不同雷诺数下的流动情况。结果表明:在同一雷诺数下,曲面边界不仅能消除从边界产生的次涡,还会导致腔内主涡的分离,增大中心纵剖面纵向回流速度;“上长方体+下半圆柱”腔内流函数分布与边界贴合度最高。当雷诺数不断增大时,半圆柱腔内主涡逐渐分离成两个同向涡,“上圆柱+下半球”腔内始终保持着圆柱腔与半球腔内的基本流动特征;而长方体腔内主涡涡心保持在同一高度,次涡逐渐增强,“上长方体+下半圆柱”腔内流动愈加规则,主涡逐渐下沉,流速等值线分布逐渐趋于中心小、四周大。

格子Boltzmann亚格子模型的研究

为了将格子Boltzmann法应用于大雷诺数流动的模拟,本文将Smagorinsky亚格子模型和LBGK模型相结合,并对该亚格子LBM模型进行了研究。利用该亚格子LBM模型,对二维顶盖驱动流进行了模拟,得到了若干大雷诺数下流线图和方腔中心线上无量纲速度分布。计算结果与基准解进行比较,两者相互吻合。

不可压缩粘性流动的CBS有限元解法

对于二维不可压缩粘性流动,首先通过坐标变换的方式得到了的不含对流项的NS方程,并给出了CBS有限元方法求解的一般过程。结合一类同时含有压力和速度的出口边界条件,对方腔顶盖驱动流、后向台阶绕流和圆柱绕流进行了计算。所得结果与基准解符合良好,验证了CBS算法对于定常、非定常粘性不可压缩流动问题的可行性和所用出口边界条件的无反射特性。特别的,对于圆柱绕流,Re=100时非定常升、阻力系数及漩涡脱落等非定常都得到了较好地模拟,为一进步研究自激振动等更加复杂的非定常流动问题奠定了基础。

非稳态流动的隐式最小二乘等几何方法

对非稳态粘性不可压流动问题提出了一种隐式最小二乘等几何计算方法。该方法先用隐式的向后多步差分格式对Navier-Stokes方程进行时间离散,再用Newton法线性化对流项,最后在每个时间步上用最小二乘等几何方法进行求解。根据该算法编制了计算程序,通过构造解析解的方法验证了程序的正确性,用该程序求解了雷诺数为5000时的非稳态二维顶盖驱动流问题,计算结果捕捉到了流动过程中涡的演化过程,表明本文方法可用于非稳态流动的求解。