發(fā)布時(shí)間：2018-03-25 07:28

  本文選題：氣-液-固耦合　切入點(diǎn)：多相流　出處：《哈爾濱工程大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：氣-液-固耦合是一個(gè)多相流(氣相、液相和固相)研究問題,是水利機(jī)械、液壓機(jī)械、以及船舶與海洋工程等領(lǐng)域中的重要課題,直接與設(shè)備的防護(hù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)。流體流經(jīng)水下結(jié)構(gòu)物時(shí),會(huì)發(fā)生繞流現(xiàn)象,造成結(jié)構(gòu)上載荷的變化。載荷的波動(dòng),輕者會(huì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng),重者甚至?xí)斐山Y(jié)構(gòu)的損毀。特別是在軍事裝備領(lǐng)域,即使是結(jié)構(gòu)的振動(dòng),也將嚴(yán)重影響水下航行器(如潛艇)的深隱身性能,危及航行器和艦載人員的安全。受流場(chǎng)環(huán)境的影響,設(shè)備與流體間的相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,常伴隨氣泡的產(chǎn)生,如螺旋槳附近的空化氣泡、管道和閥門流中的氣泡等。因此,對(duì)氣-液-固耦合動(dòng)力學(xué)的研究不但具有基礎(chǔ)的學(xué)術(shù)意義,而且能夠?yàn)閷?shí)際工程應(yīng)用提供一定的技術(shù)保障。氣-液-固耦合動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵是耦合問題,即對(duì)流-固界面、氣-液界面,以及界面間的相互作用進(jìn)行研究。界面的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)、破裂和融合過程是一個(gè)表現(xiàn)在宏觀層面,卻決定于微觀層面的非常復(fù)雜的物理行為。目前,雖然主要依賴于實(shí)驗(yàn)研究,但實(shí)驗(yàn)研究的代價(jià)昂貴,而且受限于實(shí)驗(yàn)條件和觀察手段;理論研究是另一種主要研究手段,但其求解復(fù)雜,往往需要大量假設(shè),受限于一般或者通解的情況。數(shù)值研究是區(qū)別于前兩種的第三種主要研究手段,隨著現(xiàn)代高性能計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展,其越來越被認(rèn)為是研究多相流動(dòng)力學(xué)過程和相關(guān)機(jī)理的重要手段。本文從水下界面運(yùn)動(dòng)特性研究的角度出發(fā),采用基于分子動(dòng)理論的格子Boltzmann方法(LBM)對(duì)流-固界面、氣-液界面和兩者間相互作用的多相耦合問題進(jìn)行數(shù)值模擬研究。格子Boltzmann方法常被視為介于宏觀層面和微觀層面之間的一種介觀無網(wǎng)格粒子算法,它利用密度分布函數(shù)來確定流域內(nèi)的粒子分布,并通過多尺度展開,自下而上建立與宏觀控制方程,如Navier-Stokes方程的聯(lián)系。不同于傳統(tǒng)的有限差分、有限元和有限體積等數(shù)值方法,其具有微觀動(dòng)理論特性,有著傳統(tǒng)數(shù)值方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn),如清晰的物理背景、天然的可并行性和靈活的參數(shù)可控性等。針對(duì)氣-液-固耦合動(dòng)力學(xué)研究的重要性,依托格子Boltzmann方法在計(jì)算流體領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)勢(shì),本文通過發(fā)展不同的數(shù)值模型,系統(tǒng)地開展了對(duì)流-固界面、氣-液界面以及兩種界面共存時(shí)運(yùn)動(dòng)特性的研究工作。主要的研究?jī)?nèi)容和取得的成果有:(1)提出了一種適用于處理靜止流-固界面的格子Boltzmann方法。在該方法中,根據(jù)Half-way反彈模型在實(shí)際物理邊界與毗鄰的流體節(jié)點(diǎn)位置之間建立一層虛擬邊界,并結(jié)合有限差分方法獲得虛擬邊界上的宏觀變量,以虛擬邊界代替實(shí)際邊界的壁面反彈過程,計(jì)入了對(duì)實(shí)際邊界相對(duì)于網(wǎng)格線偏移量的考慮。該方法雖然適用于靜止流-固界面的處理,但也能拓展到對(duì)特定的運(yùn)動(dòng)流-固界面(即在運(yùn)動(dòng)過程中不涉及到流體節(jié)點(diǎn)和固體節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)變)進(jìn)行處理�；谝恍┙�(jīng)典算例進(jìn)行了驗(yàn)證,包括平板間的Poiseuille流、平板間的Couette流、靜止圓柱繞流和旋轉(zhuǎn)Couette流。(2)提出了一種適用于處理運(yùn)動(dòng)流-固界面的格子Boltzmann方法。在該方法中,引入了浸沒邊界方法,基于歐拉-拉格朗日坐標(biāo)體系對(duì)流場(chǎng)中復(fù)雜運(yùn)動(dòng)界面進(jìn)行描述。采用隱式速度糾正算法,保證了流-固界面處的非滲透、非滑移的邊界條件。同時(shí),采用多松弛系數(shù)矩陣代替單一的松弛系數(shù)提高方法的數(shù)值穩(wěn)定性,最終形成了一種基于隱式速度糾正的多松弛浸沒邊界-格子Boltzmann方法。通過一些經(jīng)典算例進(jìn)行了方法驗(yàn)證,并以此為基礎(chǔ),研究了來流與旋轉(zhuǎn)平板間的耦合特性。(3)提出了 一種適用于處理氣-液界面的格子Boltzmann方法及其并行計(jì)算模型。該方法基于自由能多相流原理,利用兩組格子Boltzmann方程對(duì)整個(gè)兩相流系統(tǒng)進(jìn)行描述,其中一組用來求解計(jì)入了流場(chǎng)粘性和表面張力影響的Navier-Stokes方程,另一組用來求解Cahn-Hilliard方程。通過采用分步操作,提高了方法的數(shù)值穩(wěn)定性,并利用OpenMP多核共享內(nèi)存式并行計(jì)算技術(shù),構(gòu)建了處理氣-液界面的三維并行模型。通過Laplace定律、氣泡的形態(tài)等驗(yàn)證了方法的可靠性,并以此為基礎(chǔ),對(duì)單、雙氣泡的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究。(4)研究了狹域中氣泡運(yùn)動(dòng)特性,包括管道內(nèi)氣泡和壁面驅(qū)動(dòng)剪切流中的氣泡。通過管道內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)特性的研究,一方面驗(yàn)證了本文提出的界面處理方法在氣-液-固耦合系統(tǒng)中應(yīng)用的可靠性,另一方面探究了阻塞率和偏心率對(duì)氣泡的拓?fù)渥冃魏瓦\(yùn)動(dòng)軌跡的影響。通過對(duì)壁面驅(qū)動(dòng)剪切流中氣泡運(yùn)動(dòng)特性的研究,一方面驗(yàn)證了 Capillary數(shù)和雷諾數(shù)對(duì)氣泡變形的預(yù)報(bào),另一方面對(duì)比了壁面驅(qū)動(dòng)剪切流和自由場(chǎng)剪切流中氣泡的運(yùn)動(dòng)特性,探究了壁面的影響。(5)研究了敞域中氣泡與平、曲壁面的耦合特性,通過改變氣泡與壁面結(jié)構(gòu)的特征尺寸比和流體屬性,觀察自由場(chǎng)中氣泡與兩種類型壁面耦合的過程。采用多松弛格子Boltzmann模型,來提高數(shù)值穩(wěn)定性和可實(shí)現(xiàn)的流場(chǎng)粘度范圍,建立一維和二維管道流內(nèi)的聲波模擬模型,研究了水下氣泡脈動(dòng)或其他擾動(dòng)產(chǎn)生的波傳播過程。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ021.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;Simulation of Hydrodynamic Phenomena by the Lattice-Boltzmann Method　[J];Wuhan University Journal of Natural Sciences;1996年Z1期

2 張竹林;多組分介質(zhì)的向前和向后Boltzmann方程等效性[J];淮南工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào);2000年03期

3 閆廣武;用格子Boltzmann方法模擬Belousov-Zhabotinsky反應(yīng)中的靶型波[J];計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào);2004年02期

4 聶德明,戴志潛,林建忠;槽流場(chǎng)中被動(dòng)粒子運(yùn)動(dòng)的格子Boltzmann數(shù)值模擬[J];浙江工程學(xué)院學(xué)報(bào);2003年03期

5 陳代s，

本文編號(hào)：1662122