【摘要】：流動中的邊界滑移指的是壁面附近的流體與固壁間存在相對速度的現(xiàn)象。隨著界面加工技術(shù)的進(jìn)步,原本十分微弱的邊界滑移現(xiàn)象得到了極大的強(qiáng)化。邊界滑移引起的摩擦減阻效應(yīng)因此受到了人們的廣泛關(guān)注。實際上,該物理現(xiàn)象的數(shù)值模擬是一個富有挑戰(zhàn)的新課題,特別是在格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)這一相對“年輕”的數(shù)值方法中。LBM是近三十年來快速發(fā)展出的一種基于粒子碰撞理論的數(shù)值方法。得益于其程序簡單,天然并行性與處理復(fù)雜邊界的優(yōu)勢,該方法在研究流體流動問題,特別是跨尺度耦合問題時得到了廣泛的應(yīng)用。但是,應(yīng)用該方法研究邊界滑移現(xiàn)象之前需要解決以下問題,第一,如何將微觀邊界滑移現(xiàn)象與宏觀流動狀態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián);第二,LBM中液體流動的滑移邊界還不成熟。這些問題制約LBM對邊界滑移材料減阻性能的預(yù)報。為此,本文將滑移長度這一物理量與LBM中的邊界滑移格式相關(guān)聯(lián),構(gòu)建準(zhǔn)確的滑移邊界格式,以探究邊界滑移現(xiàn)象對于不可壓流體宏觀流動狀態(tài)的影響。本文主要研究內(nèi)容如下:1、通過材料的宏觀性質(zhì)預(yù)測其邊界滑移長度。引入超疏水粘附力方程模型,提出了一種結(jié)合作用力方程的滑移邊界處理方法。該方法將現(xiàn)有的LBM滑移格式與液固作用力相結(jié)合,通過數(shù)值擬合方法得出了滑移長度表達(dá)式。由材料表面的浸潤參數(shù),如接觸角、前進(jìn)角、后退角等,就可以預(yù)測該材料在宏觀流動狀態(tài)下的滑移長度。通過二維平板剪切流動仿真,本文探究了接觸角、滑動角、以及速度剪切率對滑移長度大小的影響,并通過激光刻蝕加工制造技術(shù)制備出了相應(yīng)的減阻材料。2、從理論上推導(dǎo)出一種適用范圍更廣、精確度更高的液體滑移邊界條件以克服上述方法應(yīng)用范圍的局限性。結(jié)合現(xiàn)有的組合滑移邊界格式以及線性滑移模型,一種新的協(xié)調(diào)因子表達(dá)式被推導(dǎo)出來。這種不依賴具體流動模型的協(xié)調(diào)因子表達(dá)式則具有更廣泛的適用性。進(jìn)一步地,本文通過平板剪切流、泊肅葉流動驗證該格式的計算精度與準(zhǔn)確性,并將其應(yīng)用于水-銅納米粒子混合流動與Womersley流動中,探究其在微納流動與非定常流動中的適用性。3、結(jié)合上述液體邊界滑移格式與Weierstrass-Mandelbrot(WM)分形方法,本文研究了粗糙壁面與滑移邊界的耦合作用對管道流動的影響。文中針對LBM與WM耦合時的誤差提出了一種修正方法,并分析了不同網(wǎng)格分辨率下數(shù)值壁面的分型維數(shù)準(zhǔn)確性。本文進(jìn)一步比較了粗糙結(jié)構(gòu)形式與分形維數(shù)對管道流動的影響。以此為基礎(chǔ),本文研究了邊界滑移現(xiàn)象在粗糙管道中的應(yīng)用。4、結(jié)合上述液體滑移邊界格式,本文對低雷諾數(shù)下帶有滑移邊界的鈍體繞流流動進(jìn)行研究,探究邊界滑移在實際應(yīng)用中的減阻效果。文中首先討論了兩側(cè)為滑移邊界的方柱繞流流動的阻力與流場變化情況。進(jìn)一步地,四面均為滑移邊界的斜方柱繞流模擬被用于探究邊界滑移對宏觀流場的影響。最后,文中重點研究和討論了帶有滑移邊界的雙方柱繞流中的干擾現(xiàn)象與減阻效果。通過上述研究,本文分析了流動分離與流場變化對邊界滑移的減阻效果影響。5、為將邊界滑移推廣到復(fù)雜曲面中,本文提出了一種基于速度插值的曲面滑移邊界方法。該方法根據(jù)線性滑移模型,將滑移長度轉(zhuǎn)化為邊界上的滑移速度,再通過速度邊界對邊界滑移現(xiàn)象進(jìn)行模擬。該格式擺脫了組合滑移邊界只能應(yīng)用于平直邊界的束縛,也克服了以往曲面滑移邊界只能模擬微小滑移長度的限制,具有更為廣泛的適用性。圓環(huán)剪切流、非規(guī)則管道流動被用于驗證該方法的計算精度與準(zhǔn)確性。以此為基礎(chǔ),本文研究了邊界滑移現(xiàn)象對水翼升力、阻力以及升阻比的影響,分析了在水翼不同位置應(yīng)用滑移邊界時的升、阻力變化規(guī)律。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U661

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2658711