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。

发射光谱Boltzmann法测量毛细管放电产生的电热高密度等离子体温度之误差分析

本文详细地分析了目前文献报道的 :采用发射光谱Boltzmann法 ,测量毛细管放电产生的电热高密度等离子体温度时 ,产生误差的原因。当正确地选择光谱参数———谱线上能级统计权重g、跃迁几率A和上能级能量Ei ———Boltzmann法测量毛细管放电产生的电热高密度等离子体温度时 ,实验可信度可高达 99%～ 99 5 % ,测量误差仅为± 6 5 %。

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。

微通道气体流动的格子-Boltzmann法模拟

格子-Boltzmann方法的迅速发展为计算流体力学提供了一种强有力的工具.结合"贴壁层"的理论对格子-Boltzmann方程在微槽道流动中的应用进行探索,对Kn数跨越速度滑移区和过渡区的若3个微通道中的气体流体进行了模拟,给出了通道内速度、压力、局部阻力系数的变化曲线,并和同条件下用不考虑滑移的计算结果和文献给出的理论结果进行了对比,结果表明和文献给出的理论结果吻合得很好.

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。

薄层水流对土壤温度影响的格子Boltzmann法分析

为分析薄层水流影响下坡面剖面土壤热量运移机理,利用格子Boltzmann方法求解了坡面水流运动方程、土壤水运动方程与热力学方程,分析定量降雨条件下坡面水流对土壤温度分布的影响。研究表明,引起热量传递的动力是温度梯度;坡面水流对土壤温度影响前期影响主要在土壤表层,随着时间进行,由于土壤温度变化具有滞后效应,进而影响到下层土壤的温度分布。降雨强度大于75 mm/h后所产生的温度场接近于降雨强度为75 mm/h产生的温度场。

基于格子Boltzmann法的碳酸盐岩气藏多层合采模拟

多层合采是纵向发育多个层系储层的常用开发手段,碳酸盐岩气藏孔-缝-洞发育复杂,导致其合采机理不明确、常规手段评价合采效果难度大。因此,采用新方法评价其多层合采机理及潜在干扰因素具有重要的理论与现实意义。文中基于多松弛格子玻尔兹曼方法(MRT-LBM),通过追踪合采过程的流线分布,量化评价了不同孔-缝-洞配置储层的合采效果。研究结果表明:裂缝-孔洞合采的层间非均质性最大,裂缝层对产量贡献很小,裂缝-缝洞合采与缝洞-孔洞合采的层间非均质性相对更小,两层基本可以实现均衡开发;增加生产压差,合采气层的产量比降低,一定程度有助于低渗产层的气体产出,且生产压差对非均质性强的合采组合敏感性更强;当合采层间的压力梯度差值为0.02 MPa/m时,低压层的稳定倒灌量可能达到高压层的1/8;如果层间非均质大且低渗层初始压力更低时,发生倒灌的可能性更大。研究成果可以为不同孔-缝-洞发育的碳酸盐岩气藏多层合采提供理论支撑。

改进的浸入边界-晶格Boltzmann法的蠕动流分析

基于改进的浸入边界-晶格Boltzmann方法研究蠕动流问题,采用晶格Boltzmann法描述流场,用改进的浸入边界法实现管壁运动-流体流动之间的相互作用,将变形管壁的运动速度作为速度源引入晶格Boltzmann方程,代替了传统浸入边界-晶格Boltzmann法中固态变形力与流体速度之间的转换。分析了管道内蠕动流场的分布情况,研究了各相关参数如振幅比、频率、液体黏度以及波数对流量的影响,数值结果与已有的结果进行了对比,证实了本研究方法的合理性与有效性。

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.

轴对称Boltzmann模型方程统一算法与空天飞行环境喷管流动模拟

拦截机动飞行器周围大范围区域存在主喷/侧喷流/羽流影响,而传统的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes,N-S)方程不能很好模拟发动机喷管扩张段出口附近流动情况,需要一种新的方法来处理这种全流域流动问题。为解决该问题,针对特定轴对称喷管内流动,本文通过数学推导确立描述不同克努森数稀薄环境条件下的轴对称喷管内流动Boltzmann模型方程,初步建立适于该模型方程的数值格式与气体动理论统一算法。通过开展同轴圆筒间的定常/非定常旋转流动以及轴对称喷管内流动数值计算研究,发现统一算法计算流场与其他途径得到的结果吻合较好,验证了统一算法在全局克努森数喷管流动模拟的适应性和可靠性。通过与低密度风洞实验对比,喷管出口核心区羽流结构一致,羽流轴线压力分布一致,表明统一算法可以有效解决喷管入口压缩段到扩张段多流域混合,尤其是出口附近稀薄气体真空低压环境流动问题。