發(fā)布時(shí)間：2017-09-10 19:09

  本文關(guān)鍵詞：多相流動(dòng)格子Boltzmann方法研究

  更多相關(guān)文章： 格子Boltzmann方法 兩相流 氣液相變 偽勢(shì)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(jì)熱力學(xué)理論的一種數(shù)值模擬方法。由于其具有嚴(yán)格的二階精度,良好的并行性,在近幾年里越來越受到學(xué)者們的關(guān)注。隨著格子Boltzmann方法的發(fā)展,其在兩相流動(dòng)中的應(yīng)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(diǎn)以外,相比于傳統(tǒng)界面捕捉模型,還具有運(yùn)算簡(jiǎn)單并且自動(dòng)捕捉相界面等特點(diǎn),因此其在兩相流應(yīng)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(shì)模型由于其穩(wěn)定性較好,且較為簡(jiǎn)單成為目前應(yīng)用最廣的一種模型。然而,目前的偽勢(shì)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(dòng)力學(xué)基本理論相吻合的溫度分布。針對(duì)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(shì)模型的機(jī)理分析以及模型改進(jìn);二是溫度方程精度計(jì)算分析及建立滿足氣泡動(dòng)力學(xué)理論的相變模型。單組份偽勢(shì)模型改進(jìn)方面:狀態(tài)方程方面,將Kupershtokh等人基于對(duì)比態(tài)狀態(tài)方程模型應(yīng)用到一般非理想氣體狀態(tài)方程,擴(kuò)大了模型的應(yīng)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(duì)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(dá)到109以上。作用力方面,本文對(duì)Kupershtokh等人粒子間相互作用力求取模型進(jìn)行了嚴(yán)密的理論推導(dǎo),得出了其模型對(duì)應(yīng)的機(jī)理解。進(jìn)一步對(duì)幾種常用的格子Boltzmann作用力方法做了詳細(xì)的理論以及數(shù)值對(duì)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(shí)本文將改進(jìn)后模型與Li等人的模型進(jìn)行了對(duì)比,并就松弛時(shí)間對(duì)模型影響以及模型精確度的計(jì)算提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。表面張力方面,為解決偽勢(shì)模型中表面張力不可調(diào)的缺陷,本文針對(duì)改進(jìn)后Kupershtokh等人模型的表面張力及其影響因素進(jìn)行了詳細(xì)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(shí)現(xiàn)了模型表面張力的獨(dú)立調(diào)節(jié)。并就松弛時(shí)間對(duì)表面張力調(diào)節(jié)的影響進(jìn)行了數(shù)值討論。接觸角模擬方面,本文對(duì)傳統(tǒng)單組份偽勢(shì)模型接觸角模型的缺陷進(jìn)行了討論發(fā)現(xiàn),采用傳統(tǒng)接觸角模擬方法會(huì)在很大程度上影響模型穩(wěn)定性,且對(duì)密度分布會(huì)產(chǎn)生不可控的影響,為克服這些缺陷,本文引入了改進(jìn)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(huì)對(duì)密度分布造成不可控影響。兩相熱流動(dòng)方面:本文通過Chapman-Enskog多尺度展開,對(duì)幾種偽勢(shì)模型中常用的格子Boltzmann方法不可壓溫度方程進(jìn)行了理論分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用格子Boltzmann方法計(jì)算溫度分布將導(dǎo)致宏觀方程中含有不同程度的誤差項(xiàng),從而使得溫度計(jì)算與實(shí)際不相符合。為消除這些誤差項(xiàng),本文中采用有限差分法計(jì)算溫度分布并將不同溫度計(jì)算方法下方腔自然對(duì)流結(jié)果與基準(zhǔn)解進(jìn)行對(duì)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(duì)傳統(tǒng)相變模擬溫度分布計(jì)算結(jié)果與氣泡動(dòng)力學(xué)理論不相符合的缺陷,本文提出了新的相變模型,并對(duì)其能量方程進(jìn)行了嚴(yán)密的推導(dǎo)。通過結(jié)合有限差分法計(jì)算溫度分布,本文對(duì)新的模型進(jìn)行了能量守恒驗(yàn)證,并對(duì)液滴蒸發(fā)以及氣泡生長(zhǎng)等基本相變現(xiàn)象進(jìn)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(zhǎng)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(shì)相變模型有較大提高。
【關(guān)鍵詞】：格子Boltzmann方法 兩相流 氣液相變 偽勢(shì)模型
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O359
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-10
• 主要符號(hào)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?jī)?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(shì)多相格子Boltzmann方法29-30
• 2.5 單組份偽勢(shì)多相格子Boltzmann方法30-35
• 2.5.1 Shan-Chen單組份偽勢(shì)模型31
• 2.5.2 Zhang作用力偽勢(shì)模型31-32
• 2.5.3 Yuan等人的大密度比偽勢(shì)模型32
• 2.5.4 Kupershtokh等人的改進(jìn)偽勢(shì)模型32-34
• 2.5.5 Maxwell理論解與偽勢(shì)模型機(jī)理解34-35
• 2.6 本章小結(jié)35-37
• 3 等溫單組份偽勢(shì)模型改進(jìn)37-101
• 3.1 狀態(tài)方程改進(jìn)37-60
• 3.1.1 采用對(duì)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(yīng)狀態(tài)方程59-60
• 3.1.6 小結(jié)60
• 3.2 作用力模型改進(jìn)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(duì)比65-68
• 3.2.4 改進(jìn)后作用力模型與Li等人作用力模型對(duì)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(yàn)證104-108
• 4.2 相變換熱模型108-125
• 4.2.1 相變機(jī)理108-109
• 4.2.2 相變溫度方程推導(dǎo)109-110
• 4.2.3 模型驗(yàn)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(duì)未來工作的展望129-131
• 致謝131-133
• 參考文獻(xiàn)133-141
• 附錄141-143
• A. 表面張力調(diào)節(jié)推導(dǎo)141-142
• B. 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文142
• C. 攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目142-143

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)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(yīng)用[J];科學(xué)通報(bào);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(xué)學(xué)報(bào);2009年07期

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本文編號(hào)：826080