本文關鍵詞：多相流動格子Boltzmann方法研究

  更多相關文章： 格子Boltzmann方法 兩相流 氣液相變 偽勢模型

【摘要】：格子Boltzmann方法是近二十多年來發(fā)展起來的一種基于介觀非平衡統(tǒng)計熱力學理論的一種數(shù)值模擬方法。由于其具有嚴格的二階精度,良好的并行性,在近幾年里越來越受到學者們的關注。隨著格子Boltzmann方法的發(fā)展,其在兩相流動中的應用也越來越廣泛。與傳統(tǒng)方法相比,格子Boltzmann方法在兩相流模擬中除本身的數(shù)值優(yōu)點以外,相比于傳統(tǒng)界面捕捉模型,還具有運算簡單并且自動捕捉相界面等特點,因此其在兩相流應用中有著較大潛力。氣液兩相格子Boltzmann模型種類較多,其中偽勢模型由于其穩(wěn)定性較好,且較為簡單成為目前應用最廣的一種模型。然而,目前的偽勢模型仍然具有較大缺陷,如表面張力不可調(diào),界面虛假速度等,并且在相變換熱現(xiàn)象模擬中很難得到與氣泡動力學基本理論相吻合的溫度分布。針對格子Boltzmann方法在兩相流模擬中的這些問題,本文主要開展了以下兩方面的工作:一是基于單組份偽勢模型的機理分析以及模型改進;二是溫度方程精度計算分析及建立滿足氣泡動力學理論的相變模型。單組份偽勢模型改進方面:狀態(tài)方程方面,將Kupershtokh等人基于對比態(tài)狀態(tài)方程模型應用到一般非理想氣體狀態(tài)方程,擴大了模型的應用范圍。并且在非理想氣體狀態(tài)方程中引入調(diào)節(jié)參數(shù),通過對狀態(tài)方程參數(shù)的調(diào)節(jié),大幅度提高模型穩(wěn)定性,使得模型模擬兩相共存密度比達到109以上。作用力方面,本文對Kupershtokh等人粒子間相互作用力求取模型進行了嚴密的理論推導,得出了其模型對應的機理解。進一步對幾種常用的格子Boltzmann作用力方法做了詳細的理論以及數(shù)值對比,提出采用Guo等人作用力方法代替Kupershtokh等人提出的有限差分作用力模型(EDM)來提高模型模擬精度。同時本文將改進后模型與Li等人的模型進行了對比,并就松弛時間對模型影響以及模型精確度的計算提出相應的改進方法。表面張力方面,為解決偽勢模型中表面張力不可調(diào)的缺陷,本文針對改進后Kupershtokh等人模型的表面張力及其影響因素進行了詳細的理論分析,基于理論結(jié)果提出了兩種表面張力調(diào)節(jié)方法,實現(xiàn)了模型表面張力的獨立調(diào)節(jié)。并就松弛時間對表面張力調(diào)節(jié)的影響進行了數(shù)值討論。接觸角模擬方面,本文對傳統(tǒng)單組份偽勢模型接觸角模型的缺陷進行了討論發(fā)現(xiàn),采用傳統(tǒng)接觸角模擬方法會在很大程度上影響模型穩(wěn)定性,且對密度分布會產(chǎn)生不可控的影響,為克服這些缺陷,本文引入了改進的幾何接觸角模擬方法。與傳統(tǒng)方法相比,本文提出的模型精度及穩(wěn)定性均大為提高,并且不會對密度分布造成不可控影響。兩相熱流動方面:本文通過Chapman-Enskog多尺度展開,對幾種偽勢模型中常用的格子Boltzmann方法不可壓溫度方程進行了理論分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用格子Boltzmann方法計算溫度分布將導致宏觀方程中含有不同程度的誤差項,從而使得溫度計算與實際不相符合。為消除這些誤差項,本文中采用有限差分法計算溫度分布并將不同溫度計算方法下方腔自然對流結(jié)果與基準解進行對比,結(jié)果表明,采用有限差分法可以有效的消除格子Boltzmann溫度方程的誤差,提高模型精度。相變模型方面,針對傳統(tǒng)相變模擬溫度分布計算結(jié)果與氣泡動力學理論不相符合的缺陷,本文提出了新的相變模型,并對其能量方程進行了嚴密的推導。通過結(jié)合有限差分法計算溫度分布,本文對新的模型進行了能量守恒驗證,并對液滴蒸發(fā)以及氣泡生長等基本相變現(xiàn)象進行了模擬討論。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與大多數(shù)相變換熱模型不同,本文模型具有反映氣泡生長所需過熱度的能力,并且其在穩(wěn)定性以及精確性方面均較以往偽勢相變模型有較大提高。
【關鍵詞】：格子Boltzmann方法 兩相流 氣液相變 偽勢模型
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O359
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-10
• 主要符號表10-11
• 1 緒論11-21
• 1.1 研究背景及意義11-13
• 1.2 格子Boltzmann方法的發(fā)展13-15
• 1.2.1 不同層面的流體模型13-14
• 1.2.2 格子Boltzmann方法14-15
• 1.3 格子Boltzmann方法的氣液兩相流及相變模擬研究15-17
• 1.3.1 氣液兩相格子Boltzmann模型15-16
• 1.3.2 氣液相變現(xiàn)象的格子Boltzmann方法模擬16-17
• 1.4 研究目的及內(nèi)容17-21
• 1.4.1 研究目的17-18
• 1.4.2 研究內(nèi)容18-21
• 2 格子Boltzmann方法基本理論21-37
• 2.1 格子Boltzmann方法基本要素21-22
• 2.2 單松弛格子Boltzmann方法（LBGK）22-24
• 2.2.1 基本模型22-23
• 2.2.2 單松弛格子Boltzmann方法(LBGK)的多尺度展開23-24
• 2.3 多松弛格子Boltzmann方法（MRT）24-29
• 2.3.1 基本模型24-26
• 2.3.2 多松弛格子Boltzmann方法（MRT）的多尺度展開26-29
• 2.4 偽勢多相格子Boltzmann方法29-30
• 2.5 單組份偽勢多相格子Boltzmann方法30-35
• 2.5.1 Shan-Chen單組份偽勢模型31
• 2.5.2 Zhang作用力偽勢模型31-32
• 2.5.3 Yuan等人的大密度比偽勢模型32
• 2.5.4 Kupershtokh等人的改進偽勢模型32-34
• 2.5.5 Maxwell理論解與偽勢模型機理解34-35
• 2.6 本章小結(jié)35-37
• 3 等溫單組份偽勢模型改進37-101
• 3.1 狀態(tài)方程改進37-60
• 3.1.1 采用對比態(tài)狀態(tài)方程的缺陷37-38
• 3.1.2 使用常規(guī)非理想氣體狀態(tài)方程38-47
• 3.1.3 狀態(tài)方程的調(diào)節(jié)47-54
• 3.1.4 算例54-59
• 3.1.5 自適應狀態(tài)方程59-60
• 3.1.6 小結(jié)60
• 3.2 作用力模型改進60-72
• 3.2.1 Kupershtokh作用力求取模型理論分析61-63
• 3.2.2 LBGK作用力模型理論分析63-65
• 3.2.3 LBGK作用力模型數(shù)值對比65-68
• 3.2.4 改進后作用力模型與Li等人作用力模型對比68-71
• 3.2.5 MRT模型71-72
• 3.3 表面張力調(diào)節(jié)72-87
• 3.3.0 表面張力理論分析72-73
• 3.3.1 調(diào)節(jié)方法一73-74
• 3.3.2 調(diào)節(jié)方法二74-79
• 3.3.3 非均勻粘性系數(shù)對兩種表面張力調(diào)節(jié)方法的影響79-82
• 3.3.4 小結(jié)82
• 3.3.5 算例82-87
• 3.4 接觸角模型改進87-98
• 3.4.1 原始接觸角方法的缺陷88-93
• 3.4.2 幾何接觸角方法提出及改進93-98
• 3.4.3 小結(jié)98
• 3.5 本章小結(jié)98-101
• 4 相變換熱模型101-127
• 4.1 溫度格子Boltzmann方程分析102-108
• 4.1.1 溫度格子Boltzmann方程的Chapman-Enskog展開102-104
• 4.1.2 數(shù)值驗證104-108
• 4.2 相變換熱模型108-125
• 4.2.1 相變機理108-109
• 4.2.2 相變溫度方程推導109-110
• 4.2.3 模型驗證110-115
• 4.2.4 相變現(xiàn)象模擬115-125
• 4.3 本章小結(jié)125-127
• 5 結(jié)論與展望127-131
• 5.1 本文的主要結(jié)論127-129
• 5.2 對未來工作的展望129-131
• 致謝131-133
• 參考文獻133-141
• 附錄141-143
• A. 表面張力調(diào)節(jié)推導141-142
• B. 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文142
• C. 攻讀博士學位期間參與的科研項目142-143

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 曾建邦;李隆鍵;廖全;崔文智;陳清華;潘良明;;基于相變過程的格子Boltzmann模型及應用[J];科學通報;2010年03期

2 曾建邦;李隆鍵;廖全;崔文智;陳清華;潘良明;;沸騰過程的格子Boltzmann方法模擬[J];西安交通大學學報;2009年07期

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本文編號：826080