本文選題：介觀方法　切入點：不可壓流動　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：CO2埋存與驅(qū)油、清潔燃燒、可吸收顆粒物的排放和控制等諸多能源、化工、環(huán)境領(lǐng)域所涉及到的流動都屬于不可壓流動。因此對于不可壓流動的研究在工程實際中有重要的意義。介觀方法是目前研究不可壓流動的一種有效方法,且理論和應(yīng)用方面都已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。然而,介觀方法中還存在一些未解決的問題。Guo等人提出的離散統(tǒng)一動理學(xué)方法(DUGKS)從理論上可以克服目前介觀方法中存在的問題,但是還缺乏相應(yīng)的數(shù)值實驗研究；此外,作為一種新型的介觀方法,DUGKS在不可壓流動中的表現(xiàn)依然缺乏系統(tǒng)性研究,且局限于不可壓等溫流動。本文正是基于這樣的研究現(xiàn)狀,開展了以下工作：首先,分析了DUGKS中通量構(gòu)造時引入的數(shù)值誤差和漸進(jìn)保持性質(zhì),并從理論上對比了其與統(tǒng)一動理學(xué)格式(UGKS)和有限體積形式的LBE方法的異同。分析結(jié)果表明,界面分布函數(shù)構(gòu)造時,粒子自由遷移和碰撞效應(yīng)的耦合保證了DUGKS具有較小的數(shù)值耗散和良好的漸進(jìn)保持性質(zhì)；對比結(jié)果表明了其相對于目前類似介觀方法的優(yōu)勢。其次,研究了DUGKS和標(biāo)準(zhǔn)LBE方法的異同,并通過數(shù)值實驗從精度、數(shù)值穩(wěn)定性和計算效率三個方面比較兩種模型。研究結(jié)果表明,DUGKS和LBE兩種方法的精度類似,但是前者的數(shù)值穩(wěn)定性要遠(yuǎn)優(yōu)于后者,且前者可以結(jié)合其模型的特點采用非均勻網(wǎng)格提高計算效率。再次,采用DUGKS對三維衰減均勻各項同性湍流直接數(shù)值模擬,研究了湍動能及其耗散率、湍動能及其耗散譜、Kolmogrov尺度長度、Taylor微尺度長度、速度梯度的平坦度和偏斜度等低階和高階統(tǒng)計量,并將其結(jié)果與LBE方法和擬譜方法的結(jié)果進(jìn)行對比,驗證了DUGKS研究湍流的可行性,為壁面湍流的研究奠定了基礎(chǔ)。最后,提出了耦合離散統(tǒng)一動理學(xué)方法(CDUGKS)和相應(yīng)的動理學(xué)邊界條件,將DUGKS擴(kuò)展到不可壓非等溫流動。驗證發(fā)現(xiàn),與以往類似的介觀方法相比,所提出的模型具有更好的數(shù)值穩(wěn)定性,且更容易采用非均勻網(wǎng)格。此外,我們還使用提出的模型,系統(tǒng)的研究了二維和三維方腔內(nèi)層流和湍流自然對流問題(Ra=103—1010)。尤其是,我們首次系統(tǒng)研究了Ra高達(dá)1010的三維自然對流的流動特征和傳熱狀態(tài)分布,并首次給出了三維自然對流中Rayleigh數(shù)(Ra)和Nusselt數(shù)(Nu)的指數(shù)依賴關(guān)系,且所給出的預(yù)測值與已有的數(shù)值和實驗結(jié)果非常吻合�？傊�,本文對DUGKS的建模特點進(jìn)行了細(xì)致的分析,研究了DUGKS在模擬不可壓流動時的表現(xiàn),并通過數(shù)值實驗證明了DUGKS能夠有效的克服目前介觀方法中存在的穩(wěn)定性和非均勻網(wǎng)格問題,拓寬了介觀方法的應(yīng)用范圍：此外,本文還提出了耦合DUGKS模型,將DUGKS拓展到非等溫不可壓流動,并結(jié)合所提出模型的優(yōu)勢,系統(tǒng)的研究了高Rayleigh數(shù)二維和三維自然對流問題。本文的工作為以后的相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:CO2 can store and drive oil, clean combustion, absorb particulate emissions and control, and many other energy, chemical, The flow involved in the field of environment belongs to incompressible flow, so the study of incompressible flow is of great significance in engineering practice. Mesoscopic method is an effective method for studying incompressible flow at present. Great progress has been made in both theory and application. However, there are still some unsolved problems in mesoscopic methods. The discrete Unified Kinetic method (DUGKS) put forward by Guo et al can theoretically overcome the problems existing in mesoscopic methods. In addition, as a new mesoscopic method, the performance of DUGKS in incompressible flow is still lack of systematic study and confined to incompressible isothermal flow. The following works have been done: firstly, the numerical error and asymptotic preserving properties introduced in the flux construction of DUGKS are analyzed, and the similarities and differences between them with UGKS and the LBE method in finite volume form are compared theoretically. When the interface distribution function is constructed, the coupling of particle free migration and collision effect ensures that the DUGKS has small numerical dissipation and good asymptotic retention, and the comparison results show its advantages over the current similar mesoscopic methods. The similarities and differences between DUGKS and standard LBE methods are studied, and the two models are compared in terms of accuracy, numerical stability and computational efficiency through numerical experiments. The results show that the accuracy of the two methods is similar to that of LBE. However, the numerical stability of the former is much better than that of the latter, and the former can combine the characteristics of the model with non-uniform meshes to improve the computational efficiency. Thirdly, DUGKS is used to simulate the three-dimensional attenuation homogeneous turbulence directly. The turbulent kinetic energy and its dissipation rate, the turbulent kinetic energy and its dissipation spectrum are studied. The length of the Kolmogrov scale and the Taylor microscale length, the flatness and skewness of the velocity gradient are studied. The results are compared with those obtained by the LBE method and the pseudo-spectral method. The feasibility of DUGKS to study turbulence is verified, which lays a foundation for the study of wall turbulence. Finally, the coupled discrete unified kinetic method (CDUGKS) and the corresponding kinetic boundary conditions are proposed to extend DUGKS to incompressible non-isothermal flow. Compared with the previous mesoscopic methods, the proposed model has better numerical stability and is easier to use non-uniform mesoscopic grids. In addition, we also use the proposed model. The problems of laminar and turbulent natural convection in two and three dimensional square cavities have been studied systematically. In particular, the flow characteristics and heat transfer state distribution of Ra up to 1010 have been systematically studied for the first time. For the first time, the exponential dependence of Rayleigh numbers Raand Nusselt numbers in 3D natural convection is given, and the predicted values are in good agreement with the existing numerical and experimental results. In a word, the modeling characteristics of DUGKS are analyzed in detail. The performance of DUGKS in simulating incompressible flow is studied. Numerical experiments show that DUGKS can effectively overcome the stability and non-uniform mesh problems existing in mesoscopic methods and broaden the scope of application of mesoscopic methods. The coupled DUGKS model is also proposed in this paper, which extends DUGKS to non-isothermal incompressible flow and combines the advantages of the proposed model. The 2D and 3D natural convection problems with high Rayleigh number are studied systematically. The work of this paper lays a foundation for the related research in the future.
【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】：2016
【分類號】：O357

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本文編號：1601484