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《吉林大学》 2011年
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用格子Boltzmann方法模拟圆柱的搅动流动及减阻

谭玲燕  
【摘要】:随着科技的发展,出现了能够进行高速运算的计算机,各种数值计算方法因此而体现出优越性:糅合了数值计算方法的各式各样的计算软件频频出现,使得原有的复杂计算变得简单化。计算流体力学将流体力学与数值计算方法相结合,成为研究流体力学的第三种有效方法,与传统的理论流体力学和实验流体力学相互补充,在科学研究和工程领域内不断得到应用并发展。格子Boltzmann方法是近二十余年发展起来的,具有广阔发展前景的一种数值计算方法。 格子Boltzmann方法源自于McNamara和Zanetti在1988年对格子气自动机(LAG)方法的改进,它不仅继承了格子气自动机的优点,同时也克服了格子气自动机的部分缺点。因此,它是格子气自动机的继承和发展。 格子Boltzmann方法是一种自下而上的模拟流体的方法,在使用时无需考虑宏观方程的建立。因此,该方法提出后,解决了一类无法利用宏观方程进行数值模拟的复杂流动问题。格子Boltzmann方法优于其它算法主要表现在以下一些方面:1.在边界处理上,使用格子方法时可以比较容易地处理流固界面、不同流体界面等之间的比较复杂的相互作用关系;2.使用格子Boltzmann方法模拟时,每个格点处的流体在单个时间步内的运动是局部性的,而且演化过程不复杂,在计算机高速发展的时代,能够实现格子Boltzmann方法的算法在大规模的计算机上进行高度的并行运算;3.对于可以求解的压力计可以直接使用相关数据计算。基于上述优点,国内外的学者对格子Boltzmann方法展开深入研究。 格子Boltzmann方法的一般演化方程为: 其中, f_α, f_α~(eq)的表达式和e_α的具体形式会因模型的不同而有所区别。但是,任何模型中的f_α, f_α~(eq)和e_α都满足如下方程:而且平衡态分布函数在宏观上满足Maxwell-Boltzmann分布。将表达式中的进行Taylor展开,再舍去速度的高阶项即可得到通用的表达式 对选定的格子Boltzmann方法,利用多尺度技术将其恢复为宏观方程。选定时间尺度分别为t~*, t_1 = Kt~*和t_2= K~2t~*,空间尺度为x~*和x_1 =Kx~*,则有 将格子Boltzmann方程中的f_α( x + e_αδt , t+δt)在( x , t)点进行Taylor展开,再进行相关的计算,则可以得到相应尺度上的宏观方程。然后再利用平衡态分布函数将两个尺度上的宏观方程联立,即可得出宏观方程。 由于格子Boltzmann模型中的粒子只做简单的动力学行为,即碰撞和迁移,故可将演化方程改写成能够描述这两种行为的方程,即碰撞:迁移:流体微团按照该演化机制最终演化成为宏观现象与实际的物理现象相符的结果。 在进行实际模拟时,边界处理方式对数值方法计算结果的准确性、计算精度和计算效率有很大的影响,因此,边界处理方法是格子Boltzmann方法不可缺少的一部分。在格子Boltzmann方法中,对平直边界的处理实现非常简单,以反弹法为基础,之后对其进行改进,则产生了二阶精度的半步长反弹格式。而对具有运动速度的复杂边界,除了需要对虚拟的平衡态分布函数进行插值外,还需要考虑边界的运动速度对分布函数的影响。 对虚拟的平衡态分布函数有如下表达式:式中, u≡u ( x ,t)是x处的流体速度, u~*是一个待定的虚拟速度。利用线性插值,得点x+e_αδt处的分布函数结合D2Q9模型在的x点处的平衡态分布函数,则有定义,则上述表达式中的未知量u~*可以利用以下的公式进行计算:结果表明,该数值计算方法具有二阶精度。 但是,Lallem P和Luo L针对Bouzidi M提出的二次插值格式进行修改后,得到的边界处理格式如下所示: 虽然该格式多用于多松弛模型,但是,由于边界的处理和流体内节点的碰撞不相关,因此,该边界处理方法也同样适用于单松弛模型。 本文利用格子Boltzmann方法中的常见的D2Q9模型,对不可压缩流体进行了一些数值模拟。 对封闭腔体的流体搅动模拟 封闭腔体内搅动的过程复杂,若是能够了解腔体内流体的具体信息,对改进腔体的外形和搅动物体的几何形状都具有重要的意义。对同一搅拌物体,但是具有不同外形的腔体内的流体搅动进行模拟,得到以下结论: 1.在搅动的过程中,传统的圆形腔体内的情况更容易被掌握。 2.搅拌器的外形对搅拌的结果会有一定的影响。 3.在搅动时,传统的圆腔内能量的损耗小。 4.传统的圆腔在作为搅拌的混合器皿时,所达到的结果更为理想。 5.运动的圆柱和一般情况下的圆柱绕流的受力系数有很大的区别,特别是系数的周期性,发生了本质的变化。 含附属圆柱的圆柱绕流 圆柱绕流是研究流体力学中的经典算例,在主圆柱的尾迹区域内不同位置处放置附属圆柱,对主圆柱的受力系数、流线和涡的形态都有不同的影响。利用计算后得到的阻力系数、升力系数以及流线图和涡线图,经过分析后也可以得到一些结论: 1.在主圆柱的尾迹区域内放置附属圆柱,可以在一定程度上减小主圆柱的阻力系数。 2.当横向位置固定时,在尾迹区域内对称的两个附属圆柱的放置方式对主圆柱的减阻效果更好。 3.在主圆柱尾迹涡形成的区域内放置两个附属圆柱,比放置单个的附属圆柱更能够有效地抑制主圆柱尾迹后涡的形成。 4.改变纵向比时,由于放置附属圆柱远离主圆柱的尾迹区域,所以比较难达到抑制涡形成的目的,但是却可以令主圆柱的阻力系数减小。 5.当附属圆柱脱离了涡形成的区域后,即当x_α 2时,附属圆柱对涡形成的抑制会逐渐失效,但是却可以影响涡的结构形态。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O357.1

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 李椿萱,彭少波,吴子牛;附属小圆柱对主圆柱绕流影响的数值模拟[J];北京航空航天大学学报;2003年11期
2 ;Lattice Boltzmann simulation for the spiral waves in the excitable medium[J];Communications in Nonlinear Science & Numerical Simulation;2000年04期
3 马晓晨;孔小利;;一种对应用透明的分布式系统性能分析方法[J];计算机工程与应用;2008年17期
4 梅立泉;王卫东;黄艾香;;大型计算流体软件包的微机化及应用[J];计算物理;1996年01期
5 郭照立,施保昌,王能超;基于区域分裂的非均匀Lattice Boltzmann方法[J];计算物理;2001年02期
6 刘曰武,周富信,闫广武;Lattice Boltzmann方法模拟多孔介质Klinkenberg效应(英文)[J];计算物理;2003年02期
7 聂德明,林建忠;格子Boltzmann方法中的边界条件[J];计算物理;2004年01期
8 杜睿;施保昌;;格子Boltzmann方法中的曲边界处理[J];计算物理;2006年04期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 刘玉龙;用格子Boltzmann方法模拟含动边界的流体流动[D];吉林大学;2008年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;A novel incompressible finite-difference lattice Boltzmann equation for particle-laden flow[J];Acta Mechanica Sinica;2005年06期
2 伊厚会;李红梅;;颗粒在流体中相互作用的晶格玻尔兹曼方法模拟[J];滨州学院学报;2010年06期
3 崔昌盛;高波;余猛;;某型电池流道流阻计算的数学模型[J];船电技术;2009年09期
4 常茹;;Numerical simulation of wind flow fields around buildings using the lattice Boltzmann method[J];Journal of Chongqing University(English Edition);2011年02期
5 张丕付,苏汉元;可视化气动网格生成系统的开发[J];长沙交通学院学报;1998年03期
6 胡欲立,刘永长,刘伯棠;MPC增压系统多维流场的研究[J];车用发动机;1996年02期
7 谢拯,黄震;内燃机缸内流动计算正交网格生成方法研究[J];柴油机;1999年03期
8 胡香;张长军;张丙轩;;动态边界条件下实时流体模拟的研究[J];测绘与空间地理信息;2012年02期
9 李维仲;董波;宋永臣;;水平通道内黏性指进现象LBM模拟[J];大连理工大学学报;2012年03期
10 王婷;李勋;卢涛;;一种面向用户的系统资源监测模块的设计和实现[J];电脑知识与技术;2010年22期
中国重要会议论文全文数据库 前7条
1 陈瑜;蔡庆东;;格子玻尔兹曼多相流模拟中无滑移边条件选取[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
2 葛蔚;赵辉;王军武;王利民;;化学工程中的计算流体力学[A];第十届全国信息技术化工应用年会论文集[C];2005年
3 刘建军;裴桂红;薛强;;微流边界层对孔隙介质渗流的影响[A];第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集(上册)[C];2006年
4 张华;;液滴冲击液面的仿真研究[A];第三届全国水力学与水利信息学大会论文集[C];2007年
5 谷家扬;卢燕祥;杨建民;;张力腿平台四柱绕流的数值模拟[A];第十一届全国水动力学学术会议暨第二十四届全国水动力学研讨会并周培源诞辰110周年纪念大会文集(上册)[C];2012年
6 李维仲;张晓红;董波;孙涛;;单汽泡沿倾斜表面运动特性研究[A];高等学校工程热物理第十九届全国学术会议论文集[C];2013年
7 柴大克;茶晓燕;范文涛;李兴旺;;数值模拟计算方法在固体火箭发动机中的应用[A];第十六届中国科协年会——分9含能材料及绿色民爆产业发展论坛论文集[C];2014年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 吴锋;基于GPU并行计算的数值模拟与燃煤锅炉系统的优化研究[D];浙江大学;2010年
2 张邵波;纳米流体强化传热的实验和数值模拟研究[D];浙江大学;2009年
3 闫铂;反应扩散方程的格子Boltzmann方法及数值模拟[D];吉林大学;2011年
4 张建影;用于复Ginzburg-Landau方程的格子Boltzmann方法[D];吉林大学;2011年
5 刘芳;格子Boltzmann方法求解偏微分方程的相关研究[D];吉林大学;2011年
6 程磊;受限空间煤尘爆炸冲击波传播衰减规律研究[D];河南理工大学;2011年
7 荣伏梅;基于格子Boltzmann方法的多孔介质REV尺度的流动与强化传热研究[D];华中科技大学;2011年
8 周陆军;磁流体流动及能量传递特性的多尺度研究[D];南京理工大学;2010年
9 赵凯;基于孔隙尺度的多孔介质流动与传热机理研究[D];南京理工大学;2010年
10 上官林建;短纤维增强注塑流动的宏介观模拟研究[D];郑州大学;2011年
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1 陈林婕;几类非线性偏微分方程的格子Boltzmann方法[D];福建师范大学;2010年
2 张继成;厢式货车空气动力减阻的数值模拟[D];吉林大学;2011年
3 叶丽娜;基于格子Boltzmann模型的Kuramoto-Sivashinsky方程的数值模拟研究[D];吉林大学;2011年
4 罗敏莉;强迫运动柱体附加质量与阻尼系数的CFD计算[D];武汉理工大学;2011年
5 党亚兵;基于格子Boltzmann的等离子射流数值模拟[D];河南理工大学;2011年
6 李宁;格子Boltzmann方法研究蒸汽泡在过冷水中的传热传质规律[D];大连理工大学;2011年
7 张延成;尾翼火箭弹流场数值研究[D];中北大学;2011年
8 邹有;基于CUDA的稳定流模拟[D];湖南师范大学;2011年
9 王英英;基于格子Boltzmann方法的海流能水轮机大雷诺数模拟研究[D];中国海洋大学;2011年
10 刘华威;350MW超临界机组锅炉给水泵研制[D];华北电力大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 王龙;圆柱绕流的LBM模拟[J];北京大学学报(自然科学版);2002年05期
2 周国忠,施力田,王英琛;搅拌反应器内计算流体力学模拟技术进展[J];化学工程;2004年03期
3 敬军;郑立捷;王楷;胡刚义;尹协振;;计算流体力学中变形运动边界处理方法及应用[J];中国舰船研究;2007年02期
4 吴子牛,朱自强;可压流几何分区计算[J];力学进展;1998年04期
5 吴锤结,周菊光;悬浮颗粒运动的格子Boltzmann数值模拟[J];力学学报;2004年02期
6 祖迎庆,施卫平;用格子Boltzmann方法模拟流场中可变形膜的运动[J];力学学报;2005年02期
7 胡心膂,郭照立,郑楚光;格子Boltzmann模型的边界条件分析[J];水动力学研究与进展(A辑);2003年02期
8 张超英,李华兵,谭惠丽,刘慕仁,孔令江;椭圆柱体在牛顿流体中运动的格子Boltzmann方法模拟[J];物理学报;2005年05期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 段雅丽;格子Boltzmann方法及其在流体动力学上的一些应用[D];中国科学技术大学;2007年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 邓敏艺,刘慕仁,孔令江;二维对流扩散方程的格子Boltzmann方法模拟[J];广西师范大学学报(自然科学版);1999年03期
2 李淑英,周允基,刘顺隆;格子Boltzmann方法模拟湍流流动[J];热科学与技术;2004年03期
3 谭云亮;吴元伟;;矿山岩层细观尺度破坏数值模拟研究若干进展[J];山东科技大学学报(自然科学版);2009年04期
4 陈炬桦;二维涡旋的Lattice Boltzmann方法模拟[J];中山大学学报(自然科学版);2004年06期
5 阎广武,胡守信,施卫平;用Latice Boltzmann方法确定多孔介质的渗透率[J];计算物理;1997年01期
6 郭照立,施保昌,王能超;基于区域分裂的非均匀Lattice Boltzmann方法[J];计算物理;2001年02期
7 郭照立,郑楚光,柳朝晖;基于Lattice Boltzmann方法的圆柱绕流大涡模拟[J];工程热物理学报;2002年04期
8 王兴勇,索丽生,刘德有,程永光;Lattice Boltzmann方法理论和应用的新进展[J];河海大学学报(自然科学版);2002年06期
9 程永光;Lattice Boltzmann方法应用实例── 一维溃坝波模拟[J];力学与实践;2000年01期
10 程永光;基于插值的Lattice Boltzmann方法非均匀网格算法[J];武汉水利电力大学学报;2000年05期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 王兴勇;郭军;刘树坤;谢省宗;;Lattice Boltzmann方法的分块-耦合算法[A];计算流体力学研究进展——第十二届全国计算流体力学会议论文集[C];2004年
2 谭云亮;吴元伟;;矿山岩层细观尺度破坏数值模拟研究若干进展[A];2009矿山灾害预防控制学术研讨会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王兴勇;Lattice Boltzmann方法的理论及其在水力计算中应用的研究[D];河海大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 甘明星;基于Lattice Boltzmann方法的交通流模型研究[D];武汉理工大学;2004年
2 杨正东;基于格子Boltzmann方法的磁流体特性研究[D];南京理工大学;2004年
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