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格子波尔兹曼方法在计算流体力学中的应用研究

陶实  
【摘要】:包含动边界的流固耦合问题是计算流体力学中的一个热点。选取何种数值计算方法自然成为开展流体力学计算的关键。作为计算流体力学中一种高效的介观数值方法,本文采用格子波尔兹曼方法来模拟研究这一类流动问题。 本文的研究内容主要包括以下三个部分:一、采用格子Boltzmann方法模拟了圆柱旋转和圆柱涡激振动这两类流固耦合问题;二、对格子Boltzmann方法中的网格加密技术和曲边边界处理格式进行改进;三、应用浸入边界-格子Boltzmann方法对圆柱涡激振动问题进行了数值研究。 第一部分介绍了格子Boltzmann方法的理论。给出了几种现有的网格加密技术和曲边边界的处理格式,前者提高了数值计算的准确性和效率,后者精确考虑了曲边外形。采用以上方法对串列对转双圆柱和圆柱涡激振动问题分别进行了数值模拟,详细分析了圆柱运动之后其动力学特性及对流场结构的影响。 第二部分改进了格子Boltzmann方法中的网格加密技术和曲边边界处理格式。新的网格加密技术中不同块之间采用边界对接的方式连接,边界公共点处的分布函数由粗、细分布函数共同组成确定,减少了插值步骤。新的曲边边界处理格式统一了插值格式,同时该格式能够应用于因边界移动后新产生的流体点的未知分布函数的计算,统一了静边界和动边界的处理。 第三部分学习了浸入边界方法。浸入边界法在处理复杂流固耦合问题的边界时具有独特优势,在这部分里采用浸入边界-格子Boltzmann方法对圆柱涡激振动问题进行了数值模拟研究,从计算结果中可以观察到浸入边界法的采用解决了流体作用力的局部振荡问题。


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