發(fā)布時(shí)間：2020-07-13 10:57

【摘要】：格子Boltzmann(Lattice Boltzmann,LB)方法是近年來飛速發(fā)展的一種新的流體建模與數(shù)值模擬方法,該方法不同于傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法,建立于介觀動理論基礎(chǔ)之上,具有物理背景清晰,天然并行特性,算法簡單易于實(shí)施等獨(dú)特優(yōu)勢,使得LB方法在多物理尺度數(shù)值模擬和并行計(jì)算方面具有極大優(yōu)勢和潛力。為完善和豐富格子Boltzmann方法理論體系,克服已有模型的缺陷,提升模型的廣泛適用性,本文采用多弛豫時(shí)間格子Boltzmann(Multiple Relaxation-Time Lattice Boltzmann,MRT-LB)方法對表征體元(Representative Elementary Volume,REV)尺度的傾斜多孔方腔自然對流傳熱規(guī)律和液滴撞擊固體表面薄液膜流動特性進(jìn)行數(shù)值研究,具體的研究內(nèi)容與主要結(jié)論如下:首先,建立了耦合雙分布函數(shù)的非正交變化矩陣MRT-LB模型,選取典型的流動傳熱問題分析了非正交轉(zhuǎn)換矩陣的MRT-LB模型數(shù)值穩(wěn)定性和運(yùn)算效率,并對傾斜多孔方腔內(nèi)自然對流現(xiàn)象進(jìn)行了模擬研究,討論了孔隙度ε(ε=0.4,0.6,0.9)、傾角θ(-180°≤θ≤180°)、Rayleigh數(shù)(10~4≤Ra≤10~7)及Darcy數(shù)(Da=10~(-4),10~(-2))等參數(shù)對流動傳熱的影響。數(shù)值結(jié)果表明:非正交轉(zhuǎn)換矩陣MRT-LB模型具有更好的數(shù)值穩(wěn)定性和收斂速度;傾斜多孔方腔高溫壁面上平均Nusselt數(shù)隨傾角變化呈M型分布;Ra數(shù)、Da數(shù)增大使得Nusselt數(shù)最大值所對應(yīng)的傾斜角度θ_(max)呈滯后規(guī)律;低Ra數(shù)時(shí)Nusselt數(shù)曲線出現(xiàn)不連續(xù)變化現(xiàn)象;通過擬合得到Nusselt數(shù)與Ra*冪函數(shù)關(guān)系式。其次,建立了MRT-LB偽勢多相模型,針對Shan-Chen偽勢多相模型進(jìn)行改進(jìn),將多弛豫時(shí)間引入原始多相模型當(dāng)中,解決了原始模型難以數(shù)值模擬氣液相高密度比和調(diào)節(jié)黏度、表面張力受限于密度比等諸多問題。運(yùn)用MRT-LB偽勢多相模型對單/雙液滴撞擊液膜的流動特性進(jìn)行研究。分析了液膜厚度H*、Re數(shù)、We數(shù)、氣液相密度比ρ*、水平間距S*等相關(guān)參數(shù)對撞擊后水花形態(tài)演化影響,并對頸部射流和冠狀水花產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了討論。數(shù)值結(jié)果表明:液滴撞擊液膜過程中產(chǎn)生的頸部射流是形成冠狀水花初始形態(tài),液體運(yùn)動間斷理論能夠被合理用來解釋水花的形成;單液滴撞擊形成的冠狀水花鋪展半徑R_c和水花高度h*受氣液相密度比ρ*、Re數(shù)影響顯著;We數(shù)是冠狀水花最終能否生成飛濺液滴的關(guān)鍵參數(shù)。雙液滴撞擊液膜后中軸線處均會產(chǎn)生中心射流,兩端水花鋪展關(guān)于中軸線左右對稱,一定范圍內(nèi)增大初始液滴間距S*和Re數(shù)使中心射流速度增加。最后,總結(jié)全文研究內(nèi)容,并對下一階段工作進(jìn)行展望。
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK124
【圖文】：

離散速度是否對稱將直接影響格子 Boltzmann 模型能否準(zhǔn)確還原到宏觀方程。因此離散速度模型的構(gòu)造顯得尤為重要，離散速度個(gè)數(shù)偏少將難以準(zhǔn)確回歸至宏觀方程，離散速度偏多會浪費(fèi)計(jì)算資源。如圖2.2給出常用二維和三維DnQm離散速度模型的示意圖。為了能將式(2.1)的演化方程準(zhǔn)確回歸至宏觀方程，平衡態(tài)分布函數(shù)對于下列等式恒成立：eqi f ρi(2.4)eqi f ρiie u(2.5)eq2i f ρ[ I]i i sie e uu c(2.6)

圖 2.5 周期性邊界處理格式的示意圖圖 2.5 中引入的虛擬邊界 X0與 XN+1并不參與實(shí)際碰撞運(yùn)算，僅起傳遞。針對 D2Q9 離散速度模型，周期性邊界上分布函數(shù)可以具體表示為：1 05 0 58 0 8( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )i Ni i NNf x ,t f x ,tf x,t f x + L,t f x ,t f x ,tf x ,t f x ,t (3 1 3 16 1 6 17 1 7 1( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )Ni i NNf x ,t f x ,tf x + L,t f x,t f x ,t f x ,tf x ,t f x ,t (1993 年，Ziegler[74]提出半步長反彈邊界處理格式，如圖 2.6 給出了半步式的示意圖。該格式與標(biāo)準(zhǔn)反彈格式類似，運(yùn)算中碰撞步驟均選在臨近體節(jié)點(diǎn) XN處，此時(shí)壁面邊界與格子節(jié)點(diǎn)并不重合，固體邊界放置在節(jié)點(diǎn) N+1 中間位置。從圖中可以看出，半步長反彈格式具有清晰的物理傳輸路徑：即在 XN

圖 2.6 半步長反彈格式隨時(shí)間演化示意圖圖 2.7 壁面處半步長反彈格式的離散分布函數(shù)演化示意圖表示上下壁面處采用半步長反彈格式離散分布函數(shù)演化速度模型時(shí)，壁面處分布函數(shù)可以具體表示為：2 45 76 8( ) ( )( ) ( )( ) ( )b bb bb bf x ,t t f x ,tf x ,t t f x ,tf x ,t t f x ,t 文獻(xiàn)[75]指出標(biāo)準(zhǔn)反彈格式僅具有一階精度，而半步長反。反彈格式作為 LB 方法中較為典型的邊界處理方式，具

【參考文獻(xiàn)】

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1 李大樹;仇性啟;于磊;鄭志偉;馬培勇;祁風(fēng)雷;;柴油液滴沖擊液膜潤濕壁面實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2014年12期

2 賈曉東;劉永文;;兩相格子Boltzmann方法的液滴沖擊流動液膜數(shù)值模擬[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2014年15期

3 賈衛(wèi)東;朱和平;董祥;薛飛;;噴霧液滴撞擊大豆葉片表面研究[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2013年12期

4 陳云天;蔡寧生;;頁巖氣開采技術(shù)綜述分析[J];能源研究與利用;2013年02期

5 梁剛濤;沈勝強(qiáng);郭亞麗;陳覺先;于歡;李熠橋;;實(shí)驗(yàn)觀測液滴撞擊傾斜表面液膜的特殊現(xiàn)象[J];物理學(xué)報(bào);2013年08期

6 蘇鐵熊;馬理強(qiáng);劉謀斌;常建忠;;基于光滑粒子動力學(xué)方法的液滴沖擊固壁面問題數(shù)值模擬[J];物理學(xué)報(bào);2013年06期

7 劉紅;王淑春;解茂昭;賈明;史俊瑞;史玉鳳;;單液滴撞擊薄液膜產(chǎn)生二次霧化過程的數(shù)值模擬[J];燃燒科學(xué)與技術(shù);2012年01期

8 王亞青;劉明侯;劉東;王璐;郭紅;;噴霧冷卻換熱機(jī)理和影響換熱性能的因素[J];強(qiáng)激光與粒子束;2011年09期

9 郭加宏;戴世強(qiáng);代欽;;液滴沖擊液膜過程實(shí)驗(yàn)研究[J];物理學(xué)報(bào);2010年04期

10 周軼;郭加宏;陳紅勛;;格子Boltzmann方法模擬雙液滴撞擊液膜的流動過程[J];計(jì)算物理;2010年01期

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本文編號：2753376