發(fā)布時間：2020-09-09 16:10

　　 多相流體流動與傳熱普遍存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)過程,如噴墨式打印、原油捕獲及微流控技術(shù)等,是資源、環(huán)境、清潔能源等國家重大需求中的共性關(guān)鍵科學(xué)問題。多相流體流動的基本特點是流動、傳熱、傳質(zhì)、界面動力學(xué)之間相互作用,它是一個涉及流場、相場及溫度場的多場耦合問題。然而,多相流體流動與傳熱因涉及復(fù)雜的界面變化和耦合等相互作用,使得理論分析和實驗方法在研究這類復(fù)雜問題時存在很大的限制。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬成為研究此類問題的有效手段。但是,傳統(tǒng)數(shù)值方法在研究這類復(fù)雜問題時,可能面臨難以處理復(fù)雜邊界,多場耦合問題難以模擬,難以進行并行化處理等問題,而基于氣體動理學(xué)理論發(fā)展起來的格子Boltzmann方法(LBM),由于其微觀本質(zhì)和介觀特點,使得其在研究多相流體流動與傳熱方面具有顯著的優(yōu)勢。目前,基于相場理論發(fā)展而來的相場LBM受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,并普遍應(yīng)用于研究多相流問題。然而,該方法仍有一些關(guān)鍵的基礎(chǔ)問題尚未解決。第一,已有的相場格子Boltzmann(LB)模型大部分是基于Cahn-Hilliard(C-H)方程而建立的,但是這類模型普遍存在穩(wěn)定性差,不能模擬大密度比問題,碰撞過程不具有局部性等缺點。第二,現(xiàn)有的基于相場理論的LB模型,大部分僅適用于等溫的多相流問題。第三,在標(biāo)準(zhǔn)LBM中,離散速度與空間步長耦合,難以采用非均勻網(wǎng)格,計算效率低。針對上述問題,我們開展了以下幾個方面的工作:(1)首先,建立了新的求解Allen-Cahn(A-C)方程的LB模型。通過構(gòu)造新的平衡態(tài)和源項分布函數(shù),克服了原有模型不能準(zhǔn)確恢復(fù)A-C方程的缺點。另外,為了使得碰撞過程局部進行,我們提出了LBM框架下計算空間梯度的局部格式。最后,從理論和數(shù)值兩個方面,對比了基于C-H方程和A-C方程的LB模型。結(jié)果表明,基于A-C方程的LB模型對于大P′eclet數(shù)的界面捕捉問題精度更高,穩(wěn)定性更好,并且可以模擬大密度比問題。(2)基于上述發(fā)展的LB模型,建立了求解非等溫多相流問題的LB模型。通過Chapmann-Enskog分析,該模型不但可以準(zhǔn)確恢復(fù)溫度場方程,而且模型中的空間梯度可以通過對分布函數(shù)的非平衡態(tài)部分求一階矩得到。在此基礎(chǔ)上,我們利用熱毛細(xì)流動問題進行數(shù)值驗證。結(jié)果表明,本文提出的模型比已有模型更加準(zhǔn)確,穩(wěn)定性更好。(3)針對一般非線性對流擴散方程,建立了有限差分LB模型。一方面,該模型成功的克服了標(biāo)準(zhǔn)LB模型離散速度與空間步長耦合的限制,易于采用非均勻網(wǎng)格;另一方面,該模型不但保持了標(biāo)準(zhǔn)LB模型可以直接求解復(fù)方程的優(yōu)勢,而且可以用來求解各向異性擴散問題。此外,我們還對該模型進行了von Neumann線性穩(wěn)定性分析,并依照穩(wěn)定性區(qū)域給出了模型中自由參數(shù)的選取標(biāo)準(zhǔn)。最后,通過一些經(jīng)典算例對模型進行數(shù)值驗證。結(jié)果表明,該模型可以有效的提高LBM的計算效率,并且有限差分LB模型比標(biāo)準(zhǔn)LB模型穩(wěn)定性更好,精度更高。(4)基于上述有限差分LB模型,我們還對A-C方程和C-H方程進行了求解。通過修正源項分布函數(shù),該模型可以準(zhǔn)確恢復(fù)A-C方程和C-H方程。此外,我們還利用一些經(jīng)典的界面問題對模型進行了驗證。數(shù)值結(jié)果表明,有限差分LB模型在求解大的P′eclet數(shù)或者對流占優(yōu)問題時,其穩(wěn)定性和精度均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)LB模型�？傊�,本文不但為A-C方程建立了更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定的LB模型,而且探究了這類界面捕捉方程在研究多相流體流動與傳熱方面的諸多優(yōu)勢。此外,我們還從相界面捕捉精度及穩(wěn)定性等角度,對比了求解A-C方程和C-H方程的LB模型,為后續(xù)研究具體的多相流問題提供了參考。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O359

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張戈;馮程遠(yuǎn);龔文波;李英駿;;粗糙元對單裂隙滲流影響的格子Boltzmann方法模擬及分析[J];中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué);2017年02期

2 余萬;李春;朱玲;任杰;季云峰;施之皓;;采用格子Boltzmann方法研究不同環(huán)境溫度對乒乓球運動軌跡影響[J];天津體育學(xué)院學(xué)報;2016年04期

3 吳子森;董平川;袁忠超;周陰國;曹耐;許佳良;;多孔介質(zhì)流動及傳熱的格子Boltzmann方法研究[J];石油科學(xué)通報;2017年01期

4 張雪英;;格子Boltzmann方法在氣泡模擬應(yīng)用中的進展[J];太原學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版);2017年01期

5 戰(zhàn)洪仁;侯新春;曹穎;李雅俠;張先珍;;基于格子Boltzmann方法預(yù)測多孔介質(zhì)的滲透率[J];沈陽化工大學(xué)學(xué)報;2017年01期

6 趙志剛;張永波;趙同彬;譚云亮;;基于格子Boltzmann的煤巖滲透率研究方法[J];煤礦安全;2016年04期

7 Burenmandula;Ying-chun ZHAO;AQILALTU;;Two-Particle Boltzmann H-theorem[J];Acta Mathematicae Applicatae Sinica;2015年03期

8 金開文;張國雄;胡平;卿山;王華;伍祥超;田振偉;;基于格子Boltzmann方法的泊肅葉流數(shù)值研究[J];工業(yè)爐;2015年04期

9 Shu Chang;Wang Y;Yang L M;Wu J;;Lattice Boltzmann Flux Solver:An Efficient Approach for Numerical Simulation of Fluid Flows[J];Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics;2014年01期

10 王世博;唐桂華;葉培興;陶文銓;;微多孔介質(zhì)非牛頓流體格子Boltzmann模擬[J];工程熱物理學(xué)報;2012年01期

相關(guān)會議論文 前10條

1 趙建林;姚軍;楊永飛;王金偉;張磊;孫海;;基于格子Boltzmann方法研究吸附性對頁巖氣流動的影響[A];第九屆全國流體力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2016年

2 冉政;陳健;;關(guān)于格子Boltzmann方法的幾個問題[A];中國力學(xué)大會-2015論文摘要集[C];2015年

3 房亮;李孝偉;房正;;基于控制理論和格子Boltzmann方法的氣動優(yōu)化設(shè)計[A];第八屆全國流體力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2014年

4 張傳虎;徐小蓉;孫其誠;金峰;;自由表面顆粒流的Lattice Boltzmann三維模擬[A];2014顆粒材料計算力學(xué)會議論文集[C];2014年

5 沈志恒;陸慧林;;基于格子-Boltzmann方法運動顆粒群曳力系數(shù)的數(shù)值研究[A];中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會'2009論文摘要集[C];2009年

6 劉加利;張繼業(yè);張衛(wèi)華;;基于格子Boltzmann方法的運動物體繞流研究[A];第十四屆全國非線性振動暨第十一屆全國非線性動力學(xué)和運動穩(wěn)定性學(xué)術(shù)會議摘要集與會議議程[C];2013年

7 Yu CHEN;Shulong TENG;Hirotada OHASHI;;On the Lattice Boltzmann Modeling of Multi-Phase Flows[A];Genetic Algorithm and Its Application to Physics, Life Science and Engineering--Proceedings of CCAST (World Laboratory) Workshop[C];1999年

8 Chunchun Li;Jun Li;;Collaborative Filtering Based on Dual Conditional Restricted Boltzmann Machines[A];第36屆中國控制會議論文集（G）[C];2017年

9 馮士德;;多種粒子相耦合的格子Boltzmann模型[A];“力學(xué)2000”學(xué)術(shù)大會論文集[C];2000年

10 馮士德;;多組份流體的格子模型Boltzmann[A];第十四屆全國水動力學(xué)研討會文集[C];2000年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 王會利;多相流體流動與傳熱的相場格子Boltzmann方法研究[D];華中科技大學(xué);2018年

2 楊波;非等溫顆粒液滴懸浮流的格子Boltzmann模擬[D];華中科技大學(xué);2018年

3 羅康;電熱對流格子-Boltzmann模擬及穩(wěn)定性分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

4 徐磊;格子Boltzmann方法及其并行算法研究[D];上海大學(xué);2018年

5 喬龍;基于液滴熱流體動力學(xué)的多相流體格子Boltzmann模型及應(yīng)用研究[D];重慶大學(xué);2018年

6 單鋒;格子Boltzmann方法在高強度聚焦超聲建模中的應(yīng)用研究[D];南京大學(xué);2017年

7 李凱;可壓縮格子Boltzmann方法研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2016年

8 尹顯利;彈性波方程的格子Boltzmann方法研究[D];吉林大學(xué);2016年

9 劉艷紅;電磁波的格子Boltzmann方法研究[D];吉林大學(xué);2013年

10 李婷婷;彈性動力學(xué)變形的格子Boltzmann方法研究[D];吉林大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 謝守琪;基于格子Boltzmann方法在多孔介質(zhì)內(nèi)流動的模擬研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所);2018年

2 汪祥;介電液體電熱對流的介觀格子-Boltzmann模擬[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

3 王元凱;基于格子Boltzmann方法的流動與多孔介質(zhì)換熱研究[D];鄭州大學(xué);2018年

4 雷娟霞;一類非線性偏微分方程的格子Boltzmann方法及其數(shù)值模擬[D];北方民族大學(xué);2018年

5 范興歡;基于格子Boltzmann方法的柔性管道內(nèi)聲傳播數(shù)值模擬研究[D];大連理工大學(xué);2018年

6 吳齊峰;基于OpenFOAM的格子Boltzmann通量求解器研究[D];南京航空航天大學(xué);2018年

7 呂姝辰;微通道內(nèi)氣體混相驅(qū)替的格子Boltzmann模擬[D];大連理工大學(xué);2018年

8 雷體蔓;孔隙介質(zhì)中界面反應(yīng)對混合過程影響的格子Boltzmann研究[D];華中科技大學(xué);2017年

9 周平;基于相場法的格子Boltzmann模型模擬非牛頓流體液滴撞擊壁面及融合[D];重慶大學(xué);2018年

10 陳思旭;基于自由能理論的氣泡生長格子Boltzmann方法數(shù)值模擬研究[D];重慶大學(xué);2018年

本文編號：2815189