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。

非均匀矩形网格的局部网格细化LBM算法研究

传统的格子玻尔兹曼方法(LBM),特别是基于均匀正方形网格的经典单松弛计算模型(SLBM),其算法鲁棒性和数值稳定性较差,限制了LBM的发展和应用.而网格细化策略可以有效缓解这一窘境,但是传统LBM中网格细化必然会导致计算效率骤降,计算设备要求攀高.为了解决这一问题,文章基于非均匀矩形网格结构,结合插值LBM算法的思路,在保证物面处和流动变化剧烈区域的局部网格细化以及计算精度的前提下,提出了25点拉格朗日插值LBM算法.以经典顶盖驱动方腔内流为算例,开展了包括不同网格分辨率和插值格式的对比分析研究.验证算例既包括了定常流动的数值模拟,也涉及了非定常周期性流动的求解.计算结果表明,相较于其他插值格式,拉格朗日插值格式表现优异;文章局部网格细化工作可以确保物面处及流动变化剧烈区域流动细节的捕捉;数值模拟算法可以为数值仿真提供可信的计算结果;同时大幅降低了总网格数量.因此很大程度上提升了计算效率;数值模拟方法鲁棒性较好,适用于包括定常和非定常流动的数值模拟.

非牛顿流体液滴铺展过程的格子Boltzmann模拟

格子Boltzmann可有效模拟气液两相流动,成功应用于牛顿流体动态湿润领域和非牛顿流体单相流动领域的研究。将牛顿流体的两相流动格子Boltzmann模型与非牛顿流体单相流动格子Boltzmann模型相结合,建立了幂指流体两相流动格子Boltzmann模型,模拟了牛顿流体和幂指流体液滴铺展过程,并将液滴半径随时间的变化规律模拟结果与液滴铺展理论模型进行了比较,对两类流体的铺展指数与流变指数变化关系进行了分析讨论。

非平衡与多相复杂系统模拟研究——Lattice Boltzmann动理学理论与应用

在自然界和工程物理领域存在大量的非平衡、多相等复杂系统和复杂行为。Lattice Boltzmann(LB)方法起源于复杂系统复杂行为研究的格子气或元胞自动机模型;其中,现代版的Lattice Boltzmann Kinetic Model(LBKM)植根于非平衡统计物理学的基本方程—Boltzmann方程。本文从物理学视角评述LB方法,给出单松弛因子和多松弛因子LBKM构建的统一理论,介绍其在非平衡与多相复杂系统研究方面的应用。简单列举LB在多相流、可压流、材料动理学等方面的进展,重点介绍使用LB研究流体界面不稳定性、燃烧等问题的工作。本文所重点传递的信息为:可以通过宏观量研究系统的非平衡行为、可以提供系统偏离热力学平衡引发的宏观效应是LBKM建模优越于宏观连续介质建模的地方;除了可以从更基本的层面理解相应物理系统的特征、机制和规律外,这类研究结果可以为现有程序或软件中宏观模型的改进(例如修正项的构造)提供物理参考。

格子—BOLTZMANN方法非均分网格的实施

本文提出了格子-Boltzmann方法的一种新的插值算法,使得网格划分与微观粒子运动方向相分离;用该方法 模拟了后台阶通道内的突扩流动和二维极坐标下的空腔流。所得结果与传统方法吻合良好,证明了该方法的可行性。

燃烧系统的离散Boltzmann建模与模拟研究进展

燃烧系统的诸多模拟依托于流体建模,离散Boltzmann方法(discrete Boltzmann method,DBM)是近年来发展起来的一种新的流体介观建模方法.本文简要评述DBM发展的两个方向——Navier-Stokes等偏微分方程的数值逼近解法和复杂系统的微介观动理学建模.主要介绍在燃烧系统模拟方面DBM已有的工作、新近的思路、与传统流体建模的异同以及近期的研究成果.本文重点传递的信息为:作为复杂系统微介观动理学建模出现的DBM在模拟过程中同时给出"流动"及其相伴随的、关系最密切的那部分"热动"非平衡效应;它为燃烧等复杂系统中各类非平衡行为的描述、非平衡信息的提取、非平衡程度的度量提供了一种简洁、有效的方法;它所提供的热动非平衡测量量有两类:一类是直接比较分布函数和平衡态分布函数的动理学矩关系得到的,一类是来自于Chapman-Enskog多尺度分析给出的热传导和黏性项.基于第二类DBM,可以实现(燃烧等)一大类复杂流体系统的多尺度物理建模.

相分离过程的离散Boltzmann方法研究进展

概述相分离过程的离散Boltzmann方法研究进展.这部分研究内容,根据系统的成分,可分为单介质的两相分离和多介质的相分离;根据物理建模,可分为基于传统流体模型的LBM(lattice Boltzmann method)数值模拟和相分离系统的动理学建模与模拟;根据研究的侧重点,可分为方法(模型)研究和相分离过程研究.离散Boltzmann模拟所提供的非平衡行为特征为区分相分离的两个不同阶段提供了一个简洁、有效的物理判据,可用于不同类型界面的甄别与追踪技术设计.

非球形颗粒布朗运动的涨落-格子Boltzmann数值研究

采用涨落-格子Boltzmann方法对非球形颗粒(二维)的布朗运动进行直接数值模拟.数值结果包括椭圆形、矩形颗粒的速度均方值及速度自相关函数等.研究发现,对于非球形颗粒,其方向性并没有影响能量均分原理的适用性,每个自由度的能量由其速度或角速度的均方值确定,而且计算的颗粒平动温度和转动温度一致.此外,颗粒的速度自相关函数在相对长的时间内以～ct-1的规律衰减,其系数c与颗粒的形状无关.

嵌套边界的非均匀格子Boltzmann方法

基于区域分裂技术与非平衡态外推技巧,设计了一种嵌套边界的非均匀网格算法。该算法的基本思想是:将流体流动区域分解成若干个边界相互嵌套的子区域,在每个子区域内部的分布函数使用均匀网格的格子Boltzmann方法求解,区域边界的分布函数通过粗细网格转换与非平衡态外推获得。使用该方法对二维顶盖驱动方腔流动问题进行数值模拟,计算结果与其他方法的结果相吻合,表明该方法可行的、有效的,并且在高雷诺数(Re)下有较好的稳定性。

图像修复的格子波尔兹曼方法

通过各向同性的格子波尔兹曼模型模拟图像修复的过程,通过将图像的曲率和梯度等几何信息嵌入到LBM微观演化方程的松弛因子中,实现曲率驱动的各向同性扩散以达到图像修复的目的。实验结果表明,LBM图像修复方法可以得到很好的修复结果,且修复效率优于经典的BSCB模型和TV模型算法。

多相流系统的离散玻尔兹曼研究进展

针对多相复杂流体系统模拟研究,简要介绍从格子气模型到离散玻尔兹曼方法的发展历程。从统计物理学基本原理出发,通过粗粒化建模思路,给出玻尔兹曼方程;分析Chapman-Enskog多尺度展开方法所蕴含的测量逐步细化的物理图像,给出离散玻尔兹曼建模的基本原则和主要步骤。简要介绍离散玻尔兹曼在相分离、燃烧、流体不稳定性等系统中的应用。对于多相复杂流体系统的动理学建模,技术关键是分子间作用力和化学反应贡献的引入。不同颜色的示踪粒子的引入,使得在单流体理论框架下即可实现混合过程中物质粒子来源的确定;示踪粒子在其速度相空间的分布所形成的结构蕴含丰富的流场信息,为复杂流场研究张开一个全新的视角。在多介质情形,离散玻尔兹曼建模与动理学宏观建模的对应关系是一对多。随着系统非平衡程度加深,相对于动理学宏观建模与模拟思路,离散玻尔兹曼建模与模拟的复杂度上升速度较慢。作为系统行为粗粒化描述的一种物理模型构建方法,离散玻尔兹曼根据研究需求,选取一个视角,研究系统的一组动理学性质,因而要求描述这组性质的动理学矩在模型简化过程中保值;是动理学直接建模方法的一种,为连续介质建模失效或物理功能不足、而分子动力学方法因适用尺度受限而无能为力的介尺度情形提供了一条方便、有效的研究途径。

非均匀格子Boltzmann方法模拟方柱绕流

应用非均匀格子Boltzman方法对方柱绕流的三种情况进行详细数值模拟.在第1种情况中,方柱位于流场中央,模拟了卡门涡街现象,给出了斯特鲁哈数随雷诺数变化曲线;在第2种情况中,方柱位于流场壁面,分析了雷诺数对方柱后回流区的影响;在第3种情况中,两方柱并列在流场中央,考察了方柱间距对流场的影响.

低压电弧等离子体射流的温度测量

低压下的电弧等离子体射流在许多领域中有重要的应用。但是,由于其常常处在热力学非平衡态下,测量其温度有很大的难度。笔者在真空环境中,用以氩气为工质的电弧加热发动机的射流为低压等离子体源,建立了光谱测温实验系统,分别采用绝对强度法和波尔兹曼图法得到了射流的激发温度,从而给出了一种测量低气压下电弧等离子体射流温度的方法。

膨胀性非牛顿流体多孔介质流动的模拟分析

在表征体元尺度采用格子Boltzmann方法分析膨胀性非牛顿流体在多孔介质中的流动,基于二阶矩模型在演化方程中引入表征介质阻力的作用力项,求解描述渗流模型的广义Navier-Stokes方程.采用局部法计算形变速率张量,通过循环迭代得到非牛顿粘度和松弛时间.对多孔介质的Poiseuille流动进行分析,通过比较发现结果与孔隙尺度的解析解十分吻合,并且收敛较快,表明方法合理有效.分析了渗透率和幂律指数对速度和压力降的影响,研究结果表明,膨胀性流体的多孔介质流动不符合达西规律,压力降的增加幅度小于渗透率的减小幅度.当无量纲渗透率D_(a)小于10^(-5)时,流道中的速度呈现均匀分布,并且速度分布随着幂律指数的减小趋于平滑.压力降随着幂律指数的增加而增加,D_(a)越大幂律指数对压力降的影响越明显.

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.

格子Boltzmann方法在非牛顿流体研究中的应用

建立了用于非牛顿流体的格子Boltzmann方法 ,通过Chapman Enskog展开和多尺度技术 ,并选择特定的平衡态分布函数的形式 ,可以得到非牛顿流体流动的宏观Navier Stokes方程 。

基于Lattice Boltzmann方法的翼型绕流数值模拟

将通过物理平面的结构化C型贴体网格变换到计算平面的均匀正交网格,引入非均匀网格插值方法,采用基于Lattice-Boltzm ann方程的D2Q9模型,对低雷诺数下的NACA0012翼型绕流进行了数值模拟,对五个不同位置的边界层速度型与基于有限体积法的CFL3D程序的结果进行了比较。结果表明,两种方法的计算结果一致。改进后的Lattice-Boltzm ann方法适用于曲边边界,非均匀网格,同时对计算速度影响不大。Lattice-Boltzm ann方法计算较简单,因而用LB方法来模拟翼型绕流是一种新的选择,并可应用于更复杂的低雷诺数流动中。

感应耦合等离子体中原子发射光谱的非局部热平衡 Ⅰ.非玻尔兹曼分布

本文叙述了在感应耦合等离子体中,原子激发过程可以用台阶式模型来近似,从而证实了激发态粒子数的局部非玻尔兹曼分布是等离子体光学薄性质的必然结果。从理论上讨论了局部非玻尔兹曼分布公式以及分布曲线弯曲时的拐点能量。

致密多孔介质中气体非达西现象的LBM模拟

针对气体在致密多孔介质中低速渗流时,其渗流规律在渗流曲线的低压段表现出对达西定律线性关系的偏离,存在着非达西现象。采用格子Boltzmann方法,研究气体和多孔介质的特性对气体渗流Klinkenberg效应的影响因素。结果表明:在气体渗流曲线的低压力梯度段,随着气体黏度系数、净围压、渗透率和孔隙率的变小,渗流曲线的非线性临界点向压力梯度增大的方向移动,对达西定律线性关系的偏离更明显。说明在低渗和低压情况下Klinkenberg效应不能被忽略,气体黏度系数和孔隙率对Klinkenberg效应作用有影响;当净围压或渗透率很大时,气体渗流流量和压力梯度符合达西定律线性关系。

LBM的医学影像非刚体配准新方法

为了提高医学影像的配准性能,利用流体粒子运动可以模拟任意自由复杂形变的特性,将医学影像配准问题转化为粘滞流体力学物理问题,提出了一种基于离散格子玻耳兹曼方法(LBM)的非刚体配准新方法.配准过程是把浮动影像、目标影像和浮动影像的灰度差以及像素点分别视为粘滞流体、外力以及流体粒子,通过LBM方程模拟浮动影像像素点在外力作用下的流动,使影像产生位移场,发生形变.当两幅影像的灰度值接近一致时,外力消失,流体流动停止,影像达到配准.建立了含外力项的粘性可压缩LBM方程,并对边界条件、初始条件和速度模值进行了定义.实验结果表明,文中方法与同类方法相比,配准性能得到了全面提升,提高了配准效率,适合大形变配准场合.